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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半导体单晶块材,其低温2 K下霍尔迁移率可高达~2.8*105 cm2/Vs(可与最好的石墨烯和量子阱中二维电子气迁移率相比),并观测到显著的舒布尼科夫-德哈斯量子振荡。随后,在超高真空条件下,研究组对所得Bi2O2Se单晶块材进行原位解理,并利用同步辐射光源角分辨光电子能谱(ARPES)获得了非电中性层状Bi2O2Se半导体完整的电子能带结构信息,测得了电子有效质量(~0.14 m0)、费米速度(~1.69*106 m/s,约光速的1/180)及禁带宽度(~0.8 eV)等关键物理参量。结合原子分辨的扫描隧道显微镜(STM),他们发现层状Bi2O2Se材料的解理方式与普通中性层状材料不同,解理后的表面Se原子占有率接近50%,Se的位置分布并不随机,而是呈现独特的Se-Se双原子链状排布方式,即表面存在大量的Se空位。进一步的高分辨扫描隧道谱(STS)统计分析表明,大量的Se空位并未在Bi2O2Se半导体能隙中引入定域的缺陷态能级,其体带隙值始终稳定维持在~0.8 eV。理论计算及蒙特卡罗模拟表明,Bi2O2Se表面的Se-Se双原子链的排布方式为能量更优模式;与普通半导体(如GaAs)容易在带隙中引入缺陷能级不同,Bi2O2Se半导体的表面Se空位形成的缺陷能级处于其导带中,不会影响其带隙。

高迁移率层状Bi2O2Se半导体解理后的表面原子排布及电子结构



这项工作透彻解析了新型超高迁移率层状Bi2O2Se半导体材料的电子结构,并为其进一步的器件开发应用奠定了坚实的基础。2018年9月14日,该工作以“Electronic Structures and Unusually Robust Bandgap in an Ultrahigh-Mobility Layered Oxide Semiconductor, Bi2O2Se”为题在线发表在《科学-进展》(Science Advances 2018, 4, eaat8355)。北京大学彭海琳教授和牛津大学陈宇林教授为该工作的共同通讯作者,并列第一作者为陈成博士、王美晓博士及吴金雄博士。该工作的合作者还包括上海科技大学柳仲恺、薛加明和李刚博士,以色列魏茨曼科学研究所颜丙海教授,上海交通大学贾金峰教授以及南京大学袁洪涛教授等。该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。
编辑:白杨
责编:山石

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