彭海琳課題組成功解析超高遷移率層狀Bi2O2Se半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)
隨著摩爾定律逐漸走到盡頭，尋找新型高性能半導(dǎo)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(dǎo)體因其超薄平面結(jié)構(gòu)可有效抑制短溝道效應(yīng)，被認(rèn)為是構(gòu)筑后硅時代納電子器件和數(shù)字集成電路的理想溝道材料。然而，現(xiàn)有被廣泛研究的二維材料在具有其固有優(yōu)勢的同時也有著難以克服的缺點。比如石墨烯沒有帶隙、過渡金屬硫化物遷移率偏低、黑磷在環(huán)境中不穩(wěn)定。因此，尋找并制備同時具有高遷移率、合適帶隙及環(huán)境穩(wěn)定性的二維材料，一直是重大挑戰(zhàn)。近兩年來，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組和合作者首次發(fā)現(xiàn)并制備了一類同時滿足上述特點的全新二維半導(dǎo)體芯片材料(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(xiàn)出優(yōu)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(tǒng)鈣鈦礦氧化物有匹配的晶體結(jié)構(gòu)，可以與超導(dǎo)、鐵磁、鐵電等多種功能氧化物形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并展現(xiàn)豐富的物理性質(zhì)。
材料的電子能帶結(jié)構(gòu)決定了多種物理特性，特別是電子學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，而對其電子能帶結(jié)構(gòu)進行解析有助于獲得與半導(dǎo)體器件應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵物理參量，指導(dǎo)優(yōu)化器件性能。另一方面，不同于傳統(tǒng)中性層狀材料（如石墨烯、MoS2），Bi2O2Se半導(dǎo)體具有非常有趣的非電中性層狀晶體結(jié)構(gòu)，可以看成帶正電的[Bi2O2]n2n+層與帶負(fù)電的[Se]n2n-層在c軸上交替堆疊，層間為弱的靜電相互作用。這也導(dǎo)致層狀Bi2O2Se材料的解離不同于傳統(tǒng)中性層狀材料（解離常發(fā)生在范德華間隙）。目前對非中性層狀材料的解理之后的表面原子排布方式及電子結(jié)構(gòu)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(xué)的彭海琳教授課題組與牛津大學(xué)的陳宇林教授團隊合作，揭示了超高遷移率層狀Bi2O2Se半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)及表面特性。他們首先使用改良的布里奇曼方法得到高質(zhì)量的層狀Bi2O2Se半導(dǎo)體單晶塊材，其低溫2 K下霍爾遷移率可高達(dá)~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），并觀測到顯著的舒布尼科夫-德哈斯量子振蕩。 隨后，在超高真空條件下，對所得Bi2O2Se單晶塊材進行原位解理，并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(dǎo)體完整的電子能帶結(jié)構(gòu)信息，測得了電子有效質(zhì)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(guān)鍵物理參量。結(jié)合原子分辨的掃描隧道顯微鏡（STM），他們發(fā)現(xiàn)層狀Bi2O2Se材料的解理方式與普通中性層狀材料不同，解理后的表面Se原子占有率接近50%，Se的位置分布并不隨機，而是呈現(xiàn)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(tǒng)計分析表明，大量的Se空位并未在Bi2O2Se半導(dǎo)體能隙中引入定域的缺陷態(tài)能級，其體帶隙值始終穩(wěn)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(yōu)模式；與普通半導(dǎo)體（如GaAs）容易在帶隙中引入缺陷能級不同，Bi2O2Se半導(dǎo)體的表面Se空位形成的缺陷能級處于其導(dǎo)帶中，不會影響其帶隙。
這項工作透徹解析了新型超高遷移率層狀Bi2O2Se半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)，并為其進一步的器件開發(fā)應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。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(fā)表在《科學(xué)-進展》Science Advances 2018, 4, eaat8355。北京大學(xué)彭海琳教授和牛津大學(xué)陳宇林教授為該工作的共同通訊作者，并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?？萍即髮W(xué)柳仲愷、薛加明和李剛博士、以色列魏茨曼科學(xué)研究所顏丙海教授、上海交通大學(xué)賈金峰教授以及南京大學(xué)袁洪濤教授等。該工作得到了來自科技部和國家自然科學(xué)基金委等項目的資助。文章鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat8355。
附圖. 高遷移率層狀Bi2O2Se半導(dǎo)體解理后的表面原子排布及電子結(jié)構(gòu)
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