超高迁移率二维半导体BOX

首次发现一类同时具有超高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量制备特点的全新二维半导体(硒氧化铋，Bi2O2Se)，在场效应晶体管器件和量子输运方面展现出优异性能。彭海琳课题组基于前期对拓扑绝缘体（Bi2Se3，Bi2Te3）等二维量子材料的系统研究，提出用轻元素部分取代拓扑绝缘体中的重元素，以降低重元素的自旋-轨道耦合等相对论效应，进而调控其能带结构，消除金属性拓扑表面态，获得高迁移率二维半导体。经过材料的理性设计和数年的实验探索，发现了一类全新的超高迁移率半导体型层状氧化物材料Bi2O2Se，并利用化学气相沉积(CVD)法制备了高稳定性的二维Bi2O2Se晶体。基于理论计算和电学输运实验测量，证明Bi2O2Se材料具有合适带隙（~0.8 eV）、极小的电子有效质量(~0.14 m0)和超高的电子迁移率。系统的输运测量表明：CVD制备的Bi2O2Se二维晶体在未封装时的低温霍尔迁移率可高于20000 cm2/V·s，展示了显著的SdH量子振荡行为；标准的Bi2O2Se顶栅场效应晶体管展现了很高的室温表观场效应迁移率（~2000 cm2/V·s）和霍尔迁移率（~450 cm2/V·s）、很大的电流开关比（>106）以及理想的器件亚阈值摆幅（~65 mV/dec）。二维Bi2O2Se这些优异性能和综合指标已经超过了已有的一维和二维材料体系。Bi2O2Se这种高迁移率半导体特性还可能拓展到其他铋氧硫族材料（BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te）。