清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊在二維材料Bi2O2Se控制制備及光電探測方面取得新進展

【前言】

現代信息技術的進步在很大程度上依賴于以半導體硅和III-V族化合物為基礎材料的集成電路的發展。當前，由于受到短溝道效應等物理規律和制造成本的限制，CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術有可能達到極限，這也預示著“摩爾定律”的步伐可能會減慢或終結。尋找和開發新型溝道半導體材料，如近年來興起的二維材料，進而延續摩爾定律或構建新原理器件，是凝聚態物理、材料科學和電子器件領域的前沿課題和一大研究重點。最近，科學家們發現二維Bi₂O₂Se具有很高的電子遷移率、良好的穩定性和合適的帶隙，與現有二維材料呈現出很好的互補特性，有望成為新型溝道二維材料。由于材料晶粒之間的晶界將造成電子散射，同時考慮到半導體工業通常以晶圓級材料為基礎進行加工和應用，故大面積單晶材料的生長制備尤為重要，而如何控制制備大尺寸Bi₂O₂Se單晶就顯得尤為關鍵。

【成果簡介】

為解決上述難題，清華大學清華-伯克利深圳學院 (TBSI)成會明、劉碧錄團隊發展了一種物理氣相沉積自限制外延法生長毫米級二維Bi₂O₂Se單晶。該方法以Bi₂O₂Se粉體為前驅體并置于反應爐低溫一側，將生長襯底云母置于反應爐高溫一側，進行物理氣相沉積，進而制備出二維Bi₂O₂Se。其中生長基底與Bi₂O₂Se的晶格匹配適中，能夠自限制外延生長二維原子晶體，進而制備出2毫米尺寸的單層和少層二維Bi₂O₂Se單晶。材料表征結果發現二維Bi₂O₂Se具有很高的晶體質量和合適的化學計量比。研究者還發現基于Bi₂O₂Se的光電探測器顯示出優異的光響應度（2.2 x 10⁴?AW^-1）、探測率（3.4 x 10¹⁵?Jones）和開/關比（~10⁹），是迄今為止報道的Bi₂O₂Se和其他二維材料光電晶體管的最好性能之一，表明物理氣相沉積法制備的毫米級二維Bi₂O₂Se材料在光電器件中具有良好的應用前景。

該研究以“?Controlled vapor-solid deposition of millimeter-size single crystal 2D Bi₂O₂Se for high performance phototransistors”為題在線發表于Advanced?Functional?Materials上（DOI:?10.1002/adfm.201807979）。?論文第一作者為TBSI博士后Usman Khan，通訊作者為劉碧錄副教授和成會明教授，論文作者還包括TBSI博士生羅雨婷、唐磊、滕長久和劉佳曼。

【圖文導讀】

圖1.利用物理氣相沉積自限制外延生長法制備的毫米級二維Bi₂O₂Se 單晶

圖2.二維Bi₂O₂Se材料光電探測器及其性能

原文鏈接：Controlled Vapor-Solid Deposition of Millimeter-Size Single Crystal 2D Bi₂O₂Se for High Performance Phototransistors (Advanced?Functional Materials, 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807979).

網址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201807979

本文由清華大學清華-伯克利深圳學院 (TBSI)成會明、劉碧錄團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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