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　　近日，电子科技大学物理学院乔梁教授课题组受邀以“Bi₂O₂Se - A Rising Star for Semiconductor Devices”为题，在《Matter》发表综述论文。博士生丁翔、李梦璐和硕士生陈培为该论文的共同第一作者。

　　随着后摩尔时代的到来，以单晶硅为代表的经典半导体材料及其器件已经逼近物理极限，寻找在未来可以替代硅的新型半导体材料，具有重大的科学意义和应用前景。2004年石墨烯的发现拉开了二维材料研究的帷幕。此后，陆续涌现的一系列明星二维材料，包括MoS₂，BP，InSe等，在物理学、材料学前沿研究以及电子学、光子学、光电子学等器件领域，展现出了巨大的优势。但是，这些二维材料无法同时满足场效应管稳定性、高迁移率、合适的带隙等要求。

　　2017年北京大学彭海林教授率先发现并合成了一种新型“准二维材料”半导体Bi₂O₂Se₁。该材料半导体除了满足上述要求，还具有易于制备、高晶体学对称性、强Shubnikov-de Hass（SdH）量子振荡、独特的缺陷、自旋-轨道耦合以及天然的氧化物层等特点（图1）2-4。选择性氧化的Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅异质结更是与传统场效应晶体管Si/SiO₂的结构高度相似，而天然氧化物Bi₂SeO₅的介电常数却高于SiO₂。这些出色的特性使Bi₂O₂Se从许多半导体材料中脱颖而出。乔梁教授课题组近几年在Bi₂O₂Se的光电、热电物理性能与器件方向进行了较为深入的系统研究，在Adv.Mater.、Phys.Rev.Appl.、J.Mater.Chem.C等一流期刊发表研究论文多篇。本文对Bi₂O₂Se的晶体结构，电子结构，电输运机制和其它物理特性进行了全面综述。

图1. 二维半导体Bi₂O₂Se

　　文章首先从晶体结构出发，概述了Bi₂O₂Se具有[Bi₂O₂]n2n+和[Se]n2n–电荷层交替堆叠的结构特点以及较高的晶体对称性。进一步地，提出了Bi₂O₂Se的外延策略，即通过不同商用单晶衬底诱发的晶格应力来调控外延Bi₂O₂Se的晶格常数，进而影响其电子结构。在电子结构方面，作者结合DFT理论计算和ARPES实验研究，详细分析了Bi₂O₂Se的能带结构和特点。其较低的带隙宽度和较低有效电子质量，表明Bi₂O₂Se非常适合应用于电子输运的物理过程和相关器件。文章还总结了调控Bi₂O₂Se电子结构的一些手段，包括控制薄膜厚度、施加应变、调整表面缺陷和控制内部点缺陷（图2）。

　　在输运方面，与常规半导体不同，Bi₂O₂Se具有金属类似的电阻特性。这源于Se空位和Se-Bi反位缺陷导致的低热激发能。其费米液体型的（T2关系）变温电阻率的产生机制仍有待探索。Bi₂O₂Se的高迁移率主要有三个可能原因：一是层状交替结构将载流子与供体进行空间分离，使得供体部分引起的载流子散射被抑制，从而在低温下产生了较大的迁移率。二是Bi₂O₂Se具有较大的费米速度，这是高电子迁移率的关键因素。三是小角度向前散射主导和被抑制的向后散射。SdH振荡表明载流子有较长的平均自由程。自旋轨道耦合（SOC）的存在使Bi₂O₂Se成为开发自旋和拓扑量子设备的理想材料。而基于Bi₂O₂Se的约瑟夫森结实验表明，超电流的大小和空间分布可以通过电场调控。

图2. Bi₂O₂Se的能带调控策略

　　在其它物性方面，作者综述了Bi₂O₂Se可能的几个有特色材料特性，包括稀磁半导体特性，铁电性，热电性能和非常具有应用前景的天然Bi2SeO5氧化层等。这些性质对于未来、自旋器件、铁电开关、热电器件和场效应管方面的应用都具有指导意义。除此以外，作为二维材料的Bi₂O₂Se由于其独特的键合特点，使其和其他零维、一维、二维和三维材料都可能分别构造范德华型异质结和较强结合力的异质结（图3），这大大拓宽了Bi₂O₂Se在异质结方面的应用范围。

图3. Bi₂O₂Se的异质结调控策略

　　《Matter》是《Cell》子刊，关注物质科学研究的前沿领域，属中科院工程技术1区，最新期刊影响因子为19.967，涵盖材料科学的一般领域，从微观到宏观，基础到应用。《Matter》包含材料研究中的所有重大进展，涵盖了先前未知的和创新，志旨在成为学术界和工业研究人员的主要资源，为下一代材料科学家提供灵感平台。

　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522006361

　　 参考文献：

　　1   Wu, J. et al. High electron mobility and quantum oscillations in non-encapsulated ultrathin semiconducting Bi2O2Se. Nat. Nanotechnol. 12, 530-534 (2017).

　　2  Illarionov, Y. Y., Knobloch, T. & Grasser, T. Native high-k oxides for 2D transistors. Nat. Electron. 3, 442-443 (2020).

　　3  Li, T. et al. A native oxide high-κ gate dielectric for two-dimensional electronics. Nat. Electron. 3, 473-478 (2020).

　　4  Yang, A. J. et al. Van der Waals integration of high-κ perovskite oxides and two-dimensional semiconductors. Nat. Electron. 5, 233-240 (2022).