化學學院彭海琳課題組成功解析超高遷移率層狀Bi2O2Se半導體的電子...

2018/09/18 信息來源： 化學與分子工程學院

隨著摩爾定律逐漸走到盡頭，尋找新型高性能半導體溝道材料日趨緊迫。在眾多候選溝道材料中，高遷移率二維半導體因其超薄平面結構可有效抑制短溝道效應，被認為是構筑後矽時代納電子器件和數字集成電路的理想溝道材料。然而，現有被廣泛研究的二維材料在具有其固有優勢的同時也有著難以克服的缺點。比如石墨烯沒有帶隙、過渡金屬硫化k物遷移率偏低、黑磷在環境中不穩定。因此，尋找並製備同時具有高遷移率、合適帶隙及環境穩定性的二維材料，一直是重大挑戰。近兩年來，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組和合作者首次發現並製備了一類同時滿足上述特點的全新二維半導體晶片材料(硒氧化鉍，Bi₂O₂Se)，在高速低功耗器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測等方面展現出優異性能（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nature Commun. 2018, 9, 3311）。此外，Bi₂O₂Se的Bi-O層和傳統鈣鈦礦氧化物有匹配的晶體結構，可以與超導、鐵磁、鐵電等多種功能氧化物形成異質結構，並表現出豐富的物理性質。

材料的電子能帶結構決定了多種物理特性，特別是電子學和光學性質，而對其電子能帶結構進行解析有助於獲得與半導體器件應用相關的關鍵物理參量，指導優化器件性能。另一方面，不同於傳統中性層狀材料（如石墨烯、MoS₂），Bi₂O₂Se半導體具有非常有趣的非電中性層狀晶體結構，可以看成帶正電的[Bi₂O₂]n²ⁿ⁺層與帶負電的[Se]n^2n-層在c軸上交替堆疊，層間為弱的靜電相互作用。這也導致層狀Bi₂O₂Se材料的解離不同於傳統中性層狀材料（解離常發生在範德華間隙）。目前對非中性層狀材料的解理之後的表面原子排布方式及電子結構的研究甚少，這是一個非常有趣且亟待研究的問題。

近日，北京大學的彭海琳教授課題組與牛津大學的陳宇林教授團隊合作，揭示了超高遷移率層狀Bi₂O₂Se半導體的電子結構及表面特性。他們首先使用改良的布裡奇曼方法得到高質量的層狀Bi₂O₂Se半導體單晶塊材，其低溫2 K下霍爾遷移率可高達~2.8*10⁵ cm²/Vs（可與最好的石墨烯和量子阱中二維電子氣遷移率相比），並觀測到顯著的舒布尼科夫-德哈斯量子振蕩。隨後，在超高真空條件下，研究組對所得Bi₂O₂Se單晶塊材進行原位解理，並利用同步輻射光源角分辨光電子能譜（ARPES）獲得了非電中性層狀Bi₂O₂Se半導體完整的電子能帶結構信息，測得了電子有效質量（~0.14 m0）、費米速度（~1.69*10⁶ m/s，約光速的1/180）及禁帶寬度（~0.8 eV）等關鍵物理參量。結合原子分辨的掃描隧道顯微鏡（STM），他們發現層狀Bi₂O₂Se材料的解理方式與普通中性層狀材料不同，解理後的表面Se原子佔有率接近50%，Se的位置分布並不隨機，而是呈現獨特的Se-Se雙原子鏈狀排布方式，即表面存在大量的Se空位。進一步的高分辨掃描隧道譜（STS）統計分析表明，大量的Se空位並未在Bi₂O₂Se半導體能隙中引入定域的缺陷態能級，其體帶隙值始終穩定維持在~0.8 eV。理論計算及蒙特卡羅模擬表明，Bi₂O₂Se表面的Se-Se雙原子鏈的排布方式為能量更優模式；與普通半導體（如GaAs）容易在帶隙中引入缺陷能級不同，Bi₂O₂Se半導體的表面Se空位形成的缺陷能級處於其導帶中，不會影響其帶隙。

 高遷移率層狀Bi₂O₂Se半導體解理後的表面原子排布及電子結構

這項工作透徹解析了新型超高遷移率層狀Bi₂O₂Se半導體材料的電子結構，並為其進一步的器件開發應用奠定了堅實的基礎。2018年9月14日，該工作以「Electronic Structures and Unusually Robust Bandgap in an Ultrahigh-Mobility Layered Oxide Semiconductor, Bi₂O₂Se」為題在線發表在《科學-進展》（Science Advances 2018, 4, eaat8355）。北京大學彭海琳教授和牛津大學陳宇林教授為該工作的共同通訊作者，並列第一作者為陳成博士、王美曉博士及吳金雄博士。該工作的合作者還包括上海科技大學柳仲愷、薛加明和李剛博士，以色列魏茨曼科學研究所顏丙海教授，上海交通大學賈金峰教授以及南京大學袁洪濤教授等。該工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助。

編輯：白楊

責編：山石