北大&牛津&上科大Science子刊：解析超高遷移率層狀硒氧化鉍半導體的電子結構

【引言】

尋找擁有優異電子性能的新型材料是半導體工業持續發展的關鍵。近十年來，二維半導體以其高遷移率、帶隙合理的特點成為發展新一代電子器件的熱門材料。與包括石墨烯在內的幾種主要二維材料相比，具有二維層狀結構的硒氧化鉍不僅載流子遷移率、帶隙等方面的特點突出，基于其制備的器件還能夠在室溫低電壓條件下工作，在高速低功耗設備、紅外光探測等方面均展現出優異的性能。此外，硒氧化鉍的Bi-O層和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并展現豐富的物理性質。因此，為了全面開發硒氧化鉍材料在電子、熱電、光電器件等領域的應用價值，深入了解其精細的電子結構是非常有必要的。

【成果簡介】

近日，北京大學的彭海琳教授課題組以及牛津大學的陳宇林教授課題組（共同通訊作者）與上海科技大學聯合團隊合作，揭示了超高遷移率層狀硒氧化鉍半導體的電子結構及表面特性。彭海琳教授課題組及其合作者于2年多前首次發現了二維硒氧化鉍層狀材料，其后再次基礎上開展了多項引人注目的研究（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nature Commun. 2018, 9, 3311）。在這些成果的基礎上，牛津和上海科技大學聯合團隊利用角分辨光電子能譜（ARPES）和掃描隧道顯微技術（STM）系統繪制了硒氧化鉍的完整能帶結構。通過解析這一結構，研究人員發現硒氧化鉍的帶隙展現出不同尋常的穩健性和空間一致性——即便在分裂樣品表面也沒有出現表面態或者邊緣態。這一發現進一步表明硒氧化鉍是發展新一代電子器件的理想材料。2018年9月14日，相關成果以題為“Electronic structures and unusually robust bandgap in an ultrahigh-mobility layered oxide semiconductor, Bi₂O₂Se”在線發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖1 硒氧化鉍單晶的基本表征

(A)由氧化鉍和硒層交替堆疊形成體心四方結構的硒氧化鉍晶體

(B)ⅰ.光學照片顯示了硒氧化鉍的層狀結構和發亮的開裂表面；ⅱ.各晶面的XRD分析；ⅲ.核級光電子能譜分別顯示了鉍和硒特定軌道的特征峰

(C)ⅰ.霍爾遷移率以及載流子密度與硒氧化鉍單晶溫度的關系；ⅱ.低溫下SdH量子振蕩現象的存在表明了載流子相對較長的平均自由程

(D)ⅰ.開裂過程示意圖表明開裂后只有大約50%的硒原子存留在氧化鉍層上；ⅱ.ARPES顯示了硒氧化鉍的間接帶隙寬度約為0.8eV

圖2硒氧化鉍的表面形貌和統一的帶隙

(A)STM顯示了開裂的硒氧化鉍表面呈現出階梯形貌，階梯邊緣高度差達到0.61nm左右

(B)ⅰ放大的STM圖像顯示了階梯邊緣附近區域；ⅱ以及ⅲ.原子級分辨表面拓撲學顯示了由50%硒空位形成的表面織物模式；ⅳ.進一步放大的圖像顯示了硒空位和硒原子

(C)掃描隧道譜（STS）顯示出鄰近和遠離階梯邊緣區域的帶隙寬度均約為0.8eV

(D) STS圖譜展示了帶隙寬度的統一性

圖3硒氧化鉍的完整能帶結構

(A)k_y-k_z平面的費米面繪制

(B)由導帶形成的電子口袋的細節部分

(C)能帶色散圖沒有觀測到邊緣態或者表面態的存在

(D)能帶結構的詳細三維圖像解析

圖4 硒氧化鉍的表面圖形及其對能帶結構的影響

(A)大面積原子級分辨STM拓撲圖像顯示了開裂樣品表面的周期性結構

(B)開裂表面圖形的蒙特卡洛模擬和快速傅里葉變換（FFT）

(C)表面鉍、硒原子的STS實驗測量和計算結果

【小結】

這項工作通過實驗觀測發現新型超高遷移率層狀硒氧化鉍半導體材料的帶隙具備優異的空間一致性，即便材料存在表面缺陷（約50%的硒空位）的條件下，帶隙依然表現出強大的穩健性能。此外，通過改變材料的厚度還能調控帶隙寬度。圍繞硒氧化鉍電子結構開展的這一系列的實驗和理論研究不僅加深了對新型二維半導體的認識，也推動了對硒氧化合物的研究進程。

文獻鏈接：Electronic structures and unusually robust bandgap in an ultrahigh-mobility layered oxide semiconductor, Bi₂O₂Se（Sci. Adv., 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat8355）

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，并列第一作者為陳成博士（牛津）、王美曉博士（上海科技大學）及吳金雄博士（北京大學）。該工作的合作者還包括上海科技大學柳仲愷、薛加明和李剛教授、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。

彭海琳教授、劉開輝研究員、陳宇林教授、袁洪濤教授的合影

課題組介紹：

彭海琳，北京大學博雅特聘教授、博士生導師、國家杰出青年基金獲得者。主要從事高遷移率二維材料(石墨烯、拓撲絕緣體、金屬硫氧族材料)的制備科學及器件應用研究。建立了拓撲絕緣體二維結構的可控生長方法，實現了首例拓撲絕緣體二維陣列的制備，首次觀測到拓撲絕緣體的AB量子干涉效應，并開創了拓撲絕緣體在柔性透明電極的應用；設計并制備了一類全新的超高遷移率二維硒氧族半導體芯片材料；建立了精確調控石墨烯結構的范德華外延、限域“分子流”、持續氧輔助等一系列生長方法，創造了石墨烯單晶生長速度的世界紀錄，實現了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓、大面積石墨烯薄膜的連續批量制備和綠色無損轉移，實現了旋轉雙層石墨烯光電器件研制、單晶石墨烯PN結的調制摻雜和“光熱電”機制的高效能量轉換。已發表論文150余篇（Science和Nature子刊17篇，JACS/Nano Lett./Adv. Mater./PRL?50余篇），被他引逾10000次，申請/授權專利40余項。2011年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”，2012年獲批國家首批優秀青年基金，2012年入選中組部“萬人計劃”首批青年拔尖人才，2014年任國家973計劃青年科學家項目首席科學家，2015年獲國家杰出青年科學基金，并榮獲2017年國家自然科學二等獎、第二十屆茅以升北京青年科技獎、2017年Small青年科學家創新獎、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award等獎勵。在國際及雙邊重要學術會議上做邀請報告40余次。（課題組網頁:?http://www.chem.pku.edu.cn/hp）

陳宇林，歷任牛津大學物理系副教授、牛津大學耶穌學院Fellow，2014年起任清華大學物理系教授，2015年起任上海科技大學物質學院凝聚態物理與光子科學研究部主任、特聘教授。課題組主要利用角分辨光電子能譜研究新型材料（拓撲量子材料、非常規超導體、低維量子材料等）的電子結構探索工作。近年發表論文90余篇，被引次數超過12000次。曾榮獲Outstanding Young Researcher Award (Macronix Prize)、William E. and Diane M. Spicer Young Investigator Award等獎項。（課題組主頁：http://www.arpes.org.uk/Index.html）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。

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