近日，包括特聘教授陈宇林、助理教授柳仲楷、薛加民、李刚课题组在内的我校物质学院科研团队，与北京大学彭海琳课题组紧密合作，在新型超高迁移率层状氧化物半导体材料Bi2O2Se的电子结构研究中取得重要进展。9月14日，相关工作以“Electronic Structures and Unusually Robust Bandgap in an Ultrahigh Mobility Layered Oxide Semiconductor, Bi2O2Se”为题，于美国《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)上在线发表。
具有优异电学性质的半导体材料无论对半导体工业的发展，还是现代社会民生都具有重要意义。在过去十年中，大批具有优良性质的二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等）相继被发现并得到了广泛的研究。然而这些新材料在具有某些优秀性质的同时也有着难以克服的缺点，如石墨烯的能带带隙较小、过渡金属硫化物迁移率偏低、黑磷在日常环境中不稳定等，致使其不能替代现有半导体材料（例如硅）并得到广泛应用。因此，寻找到同时具有较大能带带隙、高迁移率及环境稳定性的二维材料，对物理学家和材料学家来说依然是重大挑战。
近期，一种同时具有上述优点的层状氧化物Bi2O2Se（带隙~0.8eV、迁移率1.9K下~28900cm2/V、环境稳定）被发现并引起广泛关注。Bi2O2Se还具有性质稳定、易制备、易解理等优势，使之成为高性能低功耗的半导体器件的重要候选。Bi2O2Se的Bi-O层和钙钛矿氧化物也有着匹配的晶体结构（图1a），可以与超导、铁磁、铁电等多种功能氧化物形成异质结构并展现丰富的物理性质。
物质学院联合团队利用同步辐射光源角分辨光电子能谱、隧道扫描显微镜及第一性原理计算等方法对Bi2O2Se电子结构开展研究。得到了其完整的电子结构，获取了有效质量、费米速度及带隙大小等对器件应用的关键物理参数（图1b）；实验研究发现虽然样品解理表面具有50%的Se缺陷（图1c），但是其能带带隙依然保持不变和稳定。该稳定性可以用第一性原理计算加以解释（图1d）。这项工作深入解析了此种新型半导体材料电子结构，并为其进一步的开发应用打下了坚实的基础。
该论文中，陈宇林课题组王美晓助理研究员为共同第一作者，陈宇林为通讯作者，柳仲楷、薛加民、李刚课题组分别参与了角分辨光电子能谱、隧道扫描显微镜、第一性原理计算等方面的研究工作。本工作得到了上海科技大学启动基金、国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院上海科学研究中心等相关研究计划的支持。
论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat8355
图1. a. Bi2O2Se晶体结构。b. Bi2O2Se能带结构及带隙测量。
c. Bi2O2Se解理面的原子相分辨的形貌和Se缺陷分布。d. Se缺陷位能态密度测量及其计算。