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一種類(lèi)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(kāi)啟了二維材料的大門(mén)。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(lái)，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(lái)，人們一直致力于解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，最主要的打開(kāi)石墨烯帶隙方法可以概括為下面兩種。第一種是通過(guò)摻雜、吸附、襯底相互作用、外加電場(chǎng)、應(yīng)變、建立二維異質(zhì)結(jié)等方法直接打開(kāi)石墨烯的帶隙。不幸的是，在打開(kāi)石墨烯帶隙的同時(shí)，保持其具有超高載流子遷移率的線(xiàn)性電子色散的多種嘗試，至今仍未成功。第二種方法是開(kāi)辟新的路徑，尋找新的具有超高載流子遷移率（線(xiàn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)任何具有類(lèi)似石墨烯線(xiàn)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(yáng)（陰）離子價(jià)態(tài)的劈裂和置換，陽(yáng)（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(kāi)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(xiàn)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(duì)比。最近，他們?cè)诹蚧镡}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(lèi)似石墨烯的線(xiàn)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(kāi)石墨烯帶隙的夢(mèng)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

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