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    彭海琳教授課題組研制出單晶層狀高介電材料Bi?SeO?

    日期:2023-03-18 15:29:49    作者:綜合管理部    瀏覽量:3339 次

    2023年3月9日,北京大學化學與分子工程學院/北京石墨烯研究院彭海琳課題組在《自然—材料》(Nature Materials)在線發表了題為“Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant”的研究論文,報道了一種范德華層狀高介電常數單晶材料Bi2SeO5。


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    高性能介電材料在電子、電氣、能量轉換及電介質儲能等領域具有廣闊的應用前景。高介電常數和高介電強度的先進電介質材料的開發備受關注。在新型納米材料與電子器件研究領域,俗稱“白石墨”的六方氮化硼(hBN)被廣泛用作電子封裝材料與介電材料。hBN塊體單晶因其良好的電絕緣性及范德華層狀結構,可解離成二維絕緣材料,作為原子級平整的封裝和介電層,在二維材料各類新奇物性探索中發揮了重要作用。例如,經hBN封裝的二維材料中已觀測到了分數量子霍爾效應、二維鐵磁、二維超導等重要物理現象。然而,hBN的介電常數偏低(κ ≈ 3.5),導致其電場調控能力不足和庫倫屏蔽作用不強;更重要的是,高品質hBN塊體單晶需要高溫(>1500℃)和高壓(約4萬大氣壓)等苛刻的制備條件,生長速度緩慢,得到的單晶尺寸較小。當前只有為數不多的研究機構可以通過高溫高壓合成高品質hBN塊體單晶,這嚴重限制了它的廣泛應用。因此,高效便捷制備新型高介電常數層狀單晶介電材料具有重要意義。


    彭海琳課題組前期開發了高遷移率二維半導體(Bi2O2Se)及其超薄自然氧化物柵介質Bi2SeO5(Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643)。最近,彭海琳課題組報道了一種高介電常數層狀單晶材料Bi2SeO5高效便捷的制備方法。他們通過化學氣相輸運法制備了Bi2SeO5層狀大單晶,單晶橫向尺寸達厘米級。Bi2SeO5單晶的層間結合力較弱,通過機械解理法可制得大面積均勻、原子級平整的納米薄片。電容-電壓測量結合掃描探針微波成像技術表征表明,Bi2SeO5二維單晶的室溫介電常數高達16.5,遠高于hBN。電學測量表明,Bi2SeO5二維單晶具有很高的介電強度,其擊穿場強高達10~30 MV/cm,優于hBN樣品。理論計算也表明,高品質層狀Bi2SeO5中較強的離子極化導致其兼具高介電常數與高擊穿場強。


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    圖1 單晶層狀高κ柵介質Bi2SeO5的結構與性質。(a)層狀Bi2SeO5的晶體結構;(b)氣相輸運法制得的Bi2SeO5厘米級單晶的光學照片;(c)機械解理大面積Bi2SeO5納米片光學照片;(d)層狀Bi2SeO5的典型高分辨透射電鏡成像;(e)層狀Bi2SeO5的介電常數和擊穿場強及與其他常見層狀柵介質的比較。


    高介電性能的Bi2SeO5二維單晶應用于電學器件中可獲得很強的柵極調控能力。研究團隊采用二維材料轉移技術,疊層構筑了Bi2SeO5二維納米片封裝的高遷移率二維半導體Bi2O2Se場效應霍爾器件。低溫量子輸運測量表明,通過Bi2SeO5的封裝,二維半導體Bi2O2Se的載流子遷移率顯著提升,低溫霍爾遷移率高達470000 cm2/Vs(迄今為止Bi2O2Se體系的最高遷移率),并首次觀測到Bi2O2Se的量子霍爾效應。二維單晶介電材料Bi2SeO5不僅可作為二維Bi2O2Se的理想封裝材料與柵介質,也適用于其他二維材料體系,如MoS2、石墨烯等。


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    圖2 層狀單晶Bi2SeO5納米片的封裝與柵控能力評估。(a)電學輸運測試器件示意圖;(b)Bi2SeO5封裝二維Bi2O2Se納米片的超高霍爾遷移率;(c)Bi2SeO5封裝二維MoS2的遷移率提升;(d)層狀單晶Bi2SeO5與hBN的柵控能力對比。


    高介電性能層狀單晶材料Bi2SeO5的研發為納米器件研究提供了優異的封裝材料與柵介質材料,使得二維材料載流子遷移率與載流子濃度具有高度可調控性,并可有效降低二維晶體管的功耗,在未來微納電子器件的發展中具有重要意義。此外,兼具高介電常數和高介電強度的電介質材料Bi2SeO5的開發,有望突破介電瓶頸,實現超高儲能密度和效率。因此,高介電性能的新型層狀單晶材料Bi2SeO5的研發具有重要的基礎科學意義和應用價值。


    該研究成果以“單晶型范德華層狀高介電常數材料”(Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant)為題,近日發表于Nature Materials。彭海琳教授是該論文工作的通訊作者,第一作者包括北京大學化學與分子工程學院博士畢業生張聰聰、涂騰、博雅博士后王璟岳、中南大學在北大聯合培養博士生朱永朝、以及北京石墨烯研究院/北京大學電子學院尹建波研究員。合作者還包括北京大學物理學院的吳孝松研究員、廖志敏教授、高鵬研究員、北京大學集成電路學院的黃芊芊研究員、以色列魏茨曼科學研究院的顏丙海教授、中南大學的徐海教授、胡慧萍教授、及美國德州大學奧斯汀分校的賴柯吉教授。


    該研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會、北京大學博雅博士后等機構和項目的資助,并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室(MMNL)儀器平臺的支持。 


    論文鏈接: 

    https://www.nature.com/articles/s41563-023-01502-7


    供稿部門:石墨烯器件技術研究部

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