近日，彭海琳教授課題組與牛津大學(xué)的陳宇林教授團(tuán)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。這項工作透徹解析了此種新型超高遷移率層狀Bi₂O₂Se半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)，并為其進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)用打下了堅實的基礎(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(jìn)展》Science Advances期刊上。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海科技大學(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。

二維材料已然是材料界的新寵。石墨烯，過渡金屬硫化物(TMDs)，黑磷都掀起了學(xué)術(shù)界的壯闊波瀾。但是真正應(yīng)用到未來電子器件上其均有其內(nèi)在缺陷。單層石墨烯沒有帶隙，少層TMDs載流子遷移率低，后起之秀黑磷帶隙和載流子遷移率均優(yōu)，奈何在大氣下不穩(wěn)定。

在過去兩年多里，彭海琳教授課題組和合作者首次發(fā)現(xiàn)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(yùn)、高敏超快紅外光探測等方面展現(xiàn)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)。這種新型的二維材料極有可能在未來的半導(dǎo)體應(yīng)用中得到應(yīng)用，因而其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的透徹解析也十分有必要。

該研究利用角分辨光電子能譜(ARPES)以及掃描隧道顯微鏡(STM)系統(tǒng)、透徹地研究了硒氧化鉍，主要分析研究了Bi₂O₂Se的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)，有效質(zhì)量，帶隙等。通過STM和ARPES結(jié)果顯示，Bi₂O₂Se的帶隙性質(zhì)十分健壯(Robust)，不受表面、邊界位點影響，全表面帶隙均一，即使發(fā)生50% Se的缺失，也未在帶隙中引入能級態(tài)。

圖1 Bi₂O₂Se單晶的性質(zhì)表征

要點：XRD, XPS, 霍爾遷移率和載流子密度隨溫度變化，磁學(xué)；角分辨PES價帶頂和導(dǎo)帶底的等高圖。

圖2 表面形貌以及均一的帶隙結(jié)構(gòu)

圖3 完整的能帶結(jié)構(gòu)表征(ARPES)

圖4 表面圖案的形成以及對能帶結(jié)構(gòu)的影響