一種類石墨烯的新穎二維半導(dǎo)體Ca3Sn2S7
石墨烯是材料科學(xué)領(lǐng)域的一顆迅速崛起的明星,開啟了二維材料的大門。作為納米光電子器件廣泛使用的理想電極材料,石墨烯除了具有優(yōu)異的彈性和剛度外,還具有最高的載流子遷移率(104-105 cm2 V-1 s-1)。然而,石墨烯作為一種典型的半金屬材料,它的零帶隙極大地限制了其在半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用。自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,它的零帶隙一直是世界范圍內(nèi)最具挑戰(zhàn)性的難題之一。 多年來,人們一直致力于解決這一關(guān)鍵問題,最主要的打開石墨烯帶隙方法可以概括為下面兩種。第一種是通過摻雜、吸附、襯底相互作用、外加電場、應(yīng)變、建立二維異質(zhì)結(jié)等方法直接打開石墨烯的帶隙。不幸的是,在打開石墨烯帶隙的同時(shí),保持其具有超高載流子遷移率的線性電子色散的多種嘗試,至今仍未成功。第二種方法是開辟新的路徑,尋找新的具有超高載流子遷移率(線性色散)的二維材料,如二硫化鉬、硅烯、鍺烯和磷烯等,它們構(gòu)成了新的二維材料家族。遺憾的是,迄今還沒有發(fā)現(xiàn)任何具有類似石墨烯線性電子色散和超高載流子遷移率的二維半導(dǎo)體。 北京大學(xué)物理學(xué)院史俊杰教授及其研究團(tuán)隊(duì)注意到:鈣鈦礦材料具有多樣的組成和結(jié)構(gòu),如ABX3(具有三個(gè)不同原子位置的三維結(jié)構(gòu))、A'2[An-1BnX3n+1] (二維Ruddlesden-Popper型結(jié)構(gòu))、A'[An-1BnX3n+1] (二維Dion-Jacobson型結(jié)構(gòu))、A'2An-1BnX3n+3(二維111型結(jié)構(gòu))和AnBnX3n+2(二維110型結(jié)構(gòu))等,為材料設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想和龐大的平臺(tái)。此外,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中陽(陰)離子價(jià)態(tài)的劈裂和置換,陽(陰)離子的混合等,為組分工程提供了更多的可能性,從而極大地調(diào)節(jié)了所設(shè)計(jì)的鈣鈦礦材料的電子結(jié)構(gòu)(帶隙和電子色散)及物理、化學(xué)性質(zhì),為尋找具有新奇性質(zhì)的材料開辟了一條新的道路。圖注:左圖為二維Ca3Sn2S7鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖,中圖為它的三維線性色散能帶圖(帶隙0.5 eV),右圖為它的光吸收系數(shù),并與光伏明星材料MAPbI3及Si的光吸收系數(shù)作對比。 最近,他們在硫化物鈣鈦礦的研究中,意外發(fā)現(xiàn)了一種新奇的穩(wěn)定且環(huán)境友好的二維鈣鈦礦半導(dǎo)體Ca3Sn2S7材料,它具有類似石墨烯的線性Dirac錐電子色散,直接的本征準(zhǔn)粒子帶隙0.5 eV,超小載流子有效質(zhì)量0.04m0,室溫下載流子遷移率高達(dá)6.7×104 cm2V-1s-1,光吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1(超越鈣鈦礦光伏明星材料MAPbI3), 從一個(gè)全新的角度實(shí)現(xiàn)了打開石墨烯帶隙的夢想。該研究將會(huì)為二維鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供新的思路,并進(jìn)一步促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
北京大學(xué)
2021-04-11