近日，包括特聘教授陳宇林、助理教授柳仲楷、薛加民、李剛課題組在內(nèi)的我校物質(zhì)學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)，與北京大學(xué)彭海琳課題組緊密合作，在新型超高遷移率層狀氧化物半導(dǎo)體材料Bi₂O₂Se的電子結(jié)構(gòu)研究中取得重要進(jìn)展。9月14日，相關(guān)工作以“Electronic Structures and Unusually Robust Bandgap in an Ultrahigh Mobility Layered Oxide Semiconductor, Bi₂O₂Se”為題，于美國(guó)《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上在線(xiàn)發(fā)表。

具有優(yōu)異電學(xué)性質(zhì)的半導(dǎo)體材料無(wú)論對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，還是現(xiàn)代社會(huì)民生都具有重要意義。在過(guò)去十年中，大批具有優(yōu)良性質(zhì)的二維材料（如石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物、黑磷等）相繼被發(fā)現(xiàn)并得到了廣泛的研究。然而這些新材料在具有某些優(yōu)秀性質(zhì)的同時(shí)也有著難以克服的缺點(diǎn)，如石墨烯的能帶帶隙較小、過(guò)渡金屬硫化物遷移率偏低、黑磷在日常環(huán)境中不穩(wěn)定等，致使其不能替代現(xiàn)有半導(dǎo)體材料（例如硅）并得到廣泛應(yīng)用。因此，尋找到同時(shí)具有較大能帶帶隙、高遷移率及環(huán)境穩(wěn)定性的二維材料，對(duì)物理學(xué)家和材料學(xué)家來(lái)說(shuō)依然是重大挑戰(zhàn)。

近期，一種同時(shí)具有上述優(yōu)點(diǎn)的層狀氧化物Bi₂O₂Se（帶隙~0.8eV、遷移率1.9K下~28900cm²/V、環(huán)境穩(wěn)定）被發(fā)現(xiàn)并引起廣泛關(guān)注。Bi₂O₂Se還具有性質(zhì)穩(wěn)定、易制備、易解理等優(yōu)勢(shì)，使之成為高性能低功耗的半導(dǎo)體器件的重要候選。Bi₂O₂Se的Bi-O層和鈣鈦礦氧化物也有著匹配的晶體結(jié)構(gòu)（圖1a），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)。

物質(zhì)學(xué)院聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用同步輻射光源角分辨光電子能譜、隧道掃描顯微鏡及第一性原理計(jì)算等方法對(duì)Bi₂O₂Se電子結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究。得到了其完整的電子結(jié)構(gòu)，獲取了有效質(zhì)量、費(fèi)米速度及帶隙大小等對(duì)器件應(yīng)用的關(guān)鍵物理參數(shù)（圖1b）；實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)雖然樣品解理表面具有50%的Se缺陷（圖1c），但是其能帶帶隙依然保持不變和穩(wěn)定。該穩(wěn)定性可以用第一性原理計(jì)算加以解釋?zhuān)▓D1d）。這項(xiàng)工作深入解析了此種新型半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)，并為其進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該論文中，陳宇林課題組王美曉助理研究員為共同第一作者，陳宇林為通訊作者，柳仲楷、薛加民、李剛課題組分別參與了角分辨光電子能譜、隧道掃描顯微鏡、第一性原理計(jì)算等方面的研究工作。本工作得到了上海科技大學(xué)啟動(dòng)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院上?？茖W(xué)研究中心等相關(guān)研究計(jì)劃的支持。

論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat8355

圖1. a. Bi₂O₂Se晶體結(jié)構(gòu)。b. Bi₂O₂Se能帶結(jié)構(gòu)及帶隙測(cè)量。

c. Bi₂O₂Se解理面的原子相分辨的形貌和Se缺陷分布。d. Se缺陷位能態(tài)密度測(cè)量及其計(jì)算。