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彭海琳教授等Science子刊:新型层状Bi2O2Se半导体的电子结构的透彻解析

日期:2018-09-17 08:12:36    作者:院办公室    浏览量:1260 次

近日,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。这项工作透彻解析了此种新型超高迁移率层状Bi2O2Se半导体材料电子结构,并为其进一步的开发应用打下了坚实的基础。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期刊上。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。

二维材料已然是材料界的新宠。石墨烯,过渡金属硫化物(TMDs),黑磷都掀起了学术界的壮阔波澜。但是真正应用到未来电子器件上其均有其内在缺陷。单层石墨烯没有带隙,少层TMDs载流子迁移率低,后起之秀黑磷带隙和载流子迁移率均优,奈何在大气下不稳定。

在过去两年多里,彭海琳教授课题组和合作者首次发现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、高敏超快红外光探测等方面展现优异性能(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层和钙钛矿氧化物有匹配的晶体结,可以与超导、铁磁、铁电等多种功能氧化物形成异质结构并展现丰富的物理性质。这种新型的二维材料极有可能在未来的半导体应用中得到应用,因而其电子结构性质的透彻解析也十分有必要。

该研究利用角分辨光电子能谱(ARPES)以及扫描隧道显微镜(STM)系统、透彻地研究了硒氧化铋,主要分析研究了Bi2O2Se的电子结构,包括能带结构,有效质量,带隙等。通过STM和ARPES结果显示,Bi2O2Se的带隙性质十分健壮(Robust),不受表面、边界位点影响,全表面带隙均一,即使发生50% Se的缺失,也未在带隙中引入能级态。

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图1 Bi2O2Se单晶的性质表征

要点:XRD, XPS, 霍尔迁移率和载流子密度随温度变化,磁学;角分辨PES价带顶和导带底的等高图。

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图2 表面形貌以及均一的带隙结构。

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图3 完整的能带结构表征(ARPES)。

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图4 表面图案的形成以及对能带结构的影响。


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