北京大學&中科院物理研究所Adv. Mater.: 原子級厚度的硒氧化物薄膜的分子束外延和電子結構

【引言】

原子級厚度的金屬氧化物和硫族元素化物（硫化物、硒化物以及碲化物等）（如過渡金屬二硫化物、超導β相FeSe、拓撲絕緣體Bi₂Se₃和Bi₂Te₃以及LaAlO₃/SrTiO₃）及其異質結構具有豐富的物理特性和應用前景，因而近年來受到極大的關注。氧硫族化合物可視為硫族化合物和氧化物的混合和橋接，具有如高載流子遷移率、熱電、鐵電和超導性等優異性質。Bi₂O₂Se是氧硫族化合物家族的典型代表，是一種空氣穩定的高載流子遷移性的層狀半導體，為下一代數字器件和光電子學帶來了新的機會。然而，目前Bi₂O₂Se的研究主要集中在塊狀晶體和多層薄膜樣品上，主要原因是原子級級厚度的Bi₂O₂Se薄膜的生長還存在巨大挑戰。與傳統CVD方法相比，分子束外延由于其2D生長模式和超低生長速率而在厚度精確可控生長等方面展現出顯著的優勢。此外，分子束外延所要求的超高真空環境也保證樣品的超潔表面，有助于直接觀察原子薄膜的電子結構。然而，原子級厚度的硒氧化物薄膜的分子束外延生長尚未實現。

【成果簡介】

近日，北京大學彭海琳教授與中科院物理研究所郭建東研究員合作，通過在氧氣氛圍中共同蒸發Bi和Se前驅體率先實現了在SrTiO₃基底上單層原子級薄Bi₂O₂Se膜的分子束外延（MBE），并進一步揭示了MBE生長的Bi₂O₂Se/SrTiO₃的界面原子排列，研究表明其具有原子級分辨的清晰界面及原子排列。更重要的是，通過角分辨光電子能譜解析了單個晶胞（1-UC）厚Bi₂O₂Se薄膜的電子能帶結構（具有約0.15 m₀的低電子有效質量和約0.8 eV的帶隙），這表明單個晶胞厚的Bi₂O₂Se薄膜依然是超高遷移率的半導體材料。這些研究結果對于2D氧硫族化合物的合成及其物理性質的研究具有建設性的指導意義。該成果以題為" Molecular Beam Epitaxy and Electronic Structure of Atomically Thin Oxyselenide Films"發表在國際著名材料期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 原子級厚度Bi₂O₂Se薄膜的制備

(a) 在（001）取向的SrTiO₃（STO）襯底上外延生長原子級厚Bi₂O₂Se薄膜的示意圖；

(b) Bi₂O₂Se的晶體結構；

(c) SrTiO₃的晶體結構。

圖2 通過MBE生長Bi₂O₂Se薄膜的精確厚度控制

(a) 以TiO₂為終止面的STO基底的表面形貌；

(b-e) MBE生長的、不同厚度的Bi₂O₂Se薄膜的AFM形貌；

(c) MBE生長的Bi₂O₂Se薄膜厚度與生長時間的關系。

圖3 MBE生長Bi₂O₂Se的橫截面TEM表征

(a) Bi₂O₂Se薄膜與STO間界面的橫截面HAADF-STEM圖像；

(b) a圖中白框區域界面的原子級分辨率HAADF-STEM圖像；

(c) b圖中HAADF圖像在具有單軸應變分量ε_xx條件下的幾何相位分析；

(d) b圖中HAADF圖像在具有單軸應變分量ε_zz條件下的幾何相位分析；

(e) 由EDS得到的界面上Bi、Se、O、Sr和Ti的原子級分辨率元素圖；

(f) 顯示原子模型的界面的HAADF-STEM圖像。

圖4 MBE生長的一個單胞（1-UC）厚 Bi₂O₂Se薄膜的電子結構

(a) 通過ARPES檢測的1-UC厚Bi₂O₂Se膜的示意圖；

(b) 在寬能量范圍內恒定能量輪廓的堆疊圖；

(c) 在i) VBM和ii) VBM-0.4 eV頻帶處的恒定能量輪廓的光電發射強度圖；

(d) 1-UC厚Bi₂O₂Se膜的色散；

(e) 在表面鉀摻雜前（i）和相應的EDC（ii）的能帶色散；

(f) 在表面鉀摻雜后（i）和相應的EDC（ii）的能帶色散。

【小結】

本文中，作者通過在氧氣氛圍中共蒸發Bi和Se前驅體首次實現了原子級薄Bi₂O₂Se薄膜的MBE生長，在優化條件下采用2D生長模式而且Bi₂O₂Se薄膜的精確厚度控制也的得以實現。研究發現，MBE生長的高質量Bi₂O₂Se顯示出原子級分辨的清晰界面和原子排列。通過角分辨光電子能譜成功觀察到MBE生長的1-UC Bi₂O₂Se薄膜的電子結構，研究結果表明其展現出0.15 m₀的低有效質量，高的遷移率和與塊狀薄膜相比輕微的帶隙展寬。

文獻鏈接：Molecular Beam Epitaxy and Electronic Structure of Atomically Thin Oxyselenide Films?(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201901964)

?【團隊介紹】

彭海琳：北京大學教授、博士生導師、國家杰出青年基金獲得者、中組部萬人計劃科技創新領軍人才。2000年畢業于吉林大學，2005年獲北京大學理學博士學位，2005-2009年斯坦福大學博士后。2009年6月回北京大學任教，2014年晉升為教授。彭海琳教授領導的新能源材料物理化學課題組一直從事二維晶體材料的物理化學研究，聚焦于高遷移率二維晶體（石墨烯、拓撲絕緣體、金屬硫氧族材料）的可控合成與全新原理的光電器件基礎研究，取得了一系列創新性成果，為解決高遷移率二維晶體的材料問題提出了新思路，推動了二維晶體材料制備與器件應用領域基礎研究的發展。已發表論文170余篇（含Science和Nature子刊20余篇，JACS/Nano Lett./Adv. Mater./PRL 60余篇），被他引逾10000次，授權專利20項和申請專利35項。曾獲國家自然科學二等獎、第二十屆茅以升北京青年科技獎、教育部“新世紀優秀人才支持計劃”、國家首批優秀青年基金、中組部萬人計劃首批青年拔尖人才、2017年Small青年科學家創新獎、2017年MRS Singapore ICON-2DMAT Young Scientist Award、2018年教育部青年科學獎，2018年科技部中青年科技創新領軍人才。彭海琳課題組網頁：www.chem.pku.edu.cn/hp

【團隊在該領域工作匯總】

彭海琳教授課題組和合作者于2017年率先發現并制備了一類全新的超高遷移率半導體型層狀硒氧化物材料Bi₂O₂Se，實驗和理論上證明了典型的二維硒氧化鉍Bi₂O₂Se的帶隙為~0.8 eV，并具有很小的電子有效質量（~0.14 m₀）和超高的載流子遷移率（低溫霍爾遷移率高達280,000 cm²/V·s）。標準的二維Bi₂O₂Se頂柵場效應晶體管展現了很高的室溫表觀場效應遷移率（～2000 cm²/V·s）和霍爾遷移率（～450 cm²/V·s）、很大的電流開關比（>10⁶）以及理想的器件亞閾值擺幅（～65 mV/dec）（Nature Nanotech. 2017, 12, 530）。并基于二維硒氧化鉍半導體材料研制了可在室溫工作的超快高敏近紅外光電探測器（Nature Commun. 2018, 9, 3311），并結合掃描隧道顯微鏡及角分辨光電子能譜對其解理后的表界面電子結構及原子排布進行了全面解析（Science Advances 2018 4, eaat8355.）；近期實現了晶圓級Bi₂O₂Se的單晶薄膜的CVD生長（Nano Lett. 2019, 19, 2148）。

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