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[话题] 北大化学学院彭海琳课题组成功解析超高迁移率层状Bi2O2Se半导体的电子结构

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yexuqing 发表于 2018-9-19 14:37:37 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
化学学院彭海琳课题组成功解析超高迁移率层状Bi2O2Se半导体的电子结构
日期: 2018-09-18  信息来源: 化学与分子工程学院
随着摩尔定律逐渐走到尽头,寻找新型高性能半导体沟道材料日趋紧迫。在众多候选沟道材料中,高迁移率二维半导体因其超薄平面结构可有效抑制短沟道效应,被认为是构筑后硅时代纳电子器件和数字集成电路的理想沟道材料。然而,现有被广泛研究的二维材料在具有其固有优势的同时也有着难以克服的缺点。比如石墨烯没有带隙、过渡金属硫化k物迁移率偏低、黑磷在环境中不稳定。因此,寻找并制备同时具有高迁移率、合适带隙及环境稳定性的二维材料,一直是重大挑战。近两年来,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组和合作者首次发现并制备了一类同时满足上述特点的全新二维半导体芯片材料(硒氧化铋,Bi2O2Se),在高速低功耗器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测等方面展现出优异性能(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层和传统钙钛矿氧化物有匹配的晶体结构,可以与超导、铁磁、铁电等多种功能氧化物形成异质结构,并表现出丰富的物理性质。
材料的电子能带结构决定了多种物理特性,特别是电子学和光学性质,而对其电子能带结构进行解析有助于获得与半导体器件应用相关的关键物理参量,指导优化器件性能。另一方面,不同于传统中性层状材料(如石墨烯、MoS2),Bi2O2Se半导体具有非常有趣的非电中性层状晶体结构,可以看成带正电的[Bi2O2]n2n+层与带负电的[Se]n2n-层在c轴上交替堆叠,层间为弱的静电相互作用。这也导致层状Bi2O2Se材料的解离不同于传统中性层状材料(解离常发生在范德华间隙)。目前对非中性层状材料的解理之后的表面原子排布方式及电子结构的研究甚少,这是一个非常有趣且亟待研究的问题。
近日,北京大学的彭海琳教授课题组与牛津大学的陈宇林教授团队合作,揭示了超高迁移率层状Bi2O2Se半导体的电子结构及表面特性。他们首先使用改良的布里奇曼方法得到高质量的层状Bi2O2Se半导体单晶块