清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队在二维材料Bi2O2Se控制制备及光电探测方面取得新进展

【前言】

现代信息技术的进步在很大程度上依赖于以半导体硅和III-V族化合物为基础材料的集成电路的发展。当前，由于受到短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，CMOS（互补金属氧化物半导体）技术有可能达到极限，这也预示着“摩尔定律”的步伐可能会减慢或终结。寻找和开发新型沟道半导体材料，如近年来兴起的二维材料，进而延续摩尔定律或构建新原理器件，是凝聚态物理、材料科学和电子器件领域的前沿课题和一大研究重点。最近，科学家们发现二维Bi₂O₂Se具有很高的电子迁移率、良好的稳定性和合适的带隙，与现有二维材料呈现出很好的互补特性，有望成为新型沟道二维材料。由于材料晶粒之间的晶界将造成电子散射，同时考虑到半导体工业通常以晶圆级材料为基础进行加工和应用，故大面积单晶材料的生长制备尤为重要，而如何控制制备大尺寸Bi₂O₂Se单晶就显得尤为关键。

【成果简介】

为解决上述难题，清华大学清华-伯克利深圳学院 (TBSI)成会明、刘碧录团队发展了一种物理气相沉积自限制外延法生长毫米级二维Bi₂O₂Se单晶。该方法以Bi₂O₂Se粉体为前驱体并置于反应炉低温一侧，将生长衬底云母置于反应炉高温一侧，进行物理气相沉积，进而制备出二维Bi₂O₂Se。其中生长基底与Bi₂O₂Se的晶格匹配适中，能够自限制外延生长二维原子晶体，进而制备出2毫米尺寸的单层和少层二维Bi₂O₂Se单晶。材料表征结果发现二维Bi₂O₂Se具有很高的晶体质量和合适的化学计量比。研究者还发现基于Bi₂O₂Se的光电探测器显示出优异的光响应度（2.2 x 10⁴ AW^-1）、探测率（3.4 x 10¹⁵ Jones）和开/关比（~10⁹），是迄今为止报道的Bi₂O₂Se和其他二维材料光电晶体管的最好性能之一，表明物理气相沉积法制备的毫米级二维Bi₂O₂Se材料在光电器件中具有良好的应用前景。

该研究以“ Controlled vapor-solid deposition of millimeter-size single crystal 2D Bi₂O₂Se for high performance phototransistors”为题在线发表于Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.201807979）。 论文第一作者为TBSI博士后Usman Khan，通讯作者为刘碧录副教授和成会明教授，论文作者还包括TBSI博士生罗雨婷、唐磊、滕长久和刘佳曼。

【图文导读】

图1.利用物理气相沉积自限制外延生长法制备的毫米级二维Bi₂O₂Se 单晶

图2.二维Bi₂O₂Se材料光电探测器及其性能

原文链接：Controlled Vapor-Solid Deposition of Millimeter-Size Single Crystal 2D Bi₂O₂Se for High Performance Phototransistors (Advanced Functional Materials, 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807979).

网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201807979

本文由清华大学清华-伯克利深圳学院 (TBSI)成会明、刘碧录团队供稿，材料人编辑部编辑。

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