专栏名称: X-MOL资讯

“X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研进展，坚持“原创、专业、深度、生动”，发文频率和质量广受好评。公众号菜单提供“期刊浏览、职位查询、物性数据”等丰富内容和强大功能，深得用户喜爱，入选“2016 年度学术公众号TOP10”。

【材料】燕山大学杨国春教授课题组JACS：双极性半导体Al2B12C，展现光电器件应用潜力

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-11 08:09

正文

半导体材料是电子器件的核心，决定着器件的性能。载流子迁移率作为衡量半导体性能的重要指标之一，直接影响器件的运行速度与功耗。大多数半导体材料的高迁移率通常只针对电子或空穴中的某一种载流子，而双极性半导体则兼具n型和p型半导体的特性，能够高效传输电子与空穴，是实现器件高速运算和低功耗的关键。近年来，立方砷化硼（BAs）作为一种典型的双极性半导体材料，其在室温下可实现高达1600 c m ² /V•s的双极性迁移率，备受关注。

近日， 燕山大学 理学院 杨国春 教授课题组提出了一种新的半导体材料—— Al ₂ B ₁₂ C 。该材料在室温下展现出高达2095 c m ² /V•s的双极性迁移率，高于BAs。 Al ₂ B ₁₂ C 的这一高效双极性迁移性能主要源于其独特的B-C框架结构。该研究成果为半导体材料的设计开辟了新的方向，具有重要的学术价值与潜在应用前景。

图1. Al ₂ B ₁₂ C 的稳定性与晶体结构。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

研究团队通过第一性原理结构搜索方法，发现了新型化合物 Al ₂ B ₁₂ C ，并揭示了其独特的非笼形B-C框架结构。其中，C原子通过准 sp ³ 杂化与四个扭曲的六角反棱柱 B ₁₂ 单元的顶点发生键合，这一结构突破了传统 B ₁₂ 二十面体和 B ₃ C ₃ 笼状结构的局限，拓展了B-C材料家族的边界。Al B ₁₂ 团簇的多中心共价键与芳香性特征赋予了 Al ₂ B ₁₂ C 高结构稳定性和硬度。

研究表明， Al ₂ B ₁₂ C 在室温下具有出色的双极性迁移率：电子迁移率为3105 c m ² /V•s，空穴迁移率为1581 c m ² /V•s，双极性迁移率达2095 c m ² /V•s。电子结构分析表明，空穴传输主要通过C p _z 轨道与Al原子的相互作用，在 c 轴方向形成C-Al-C空穴通道；而电子传输则由 B ₁₂ 单元中的π电子主导。研究还指出，影响载流子迁移的主要三种散射机制中，声学形变势散射影响最小，离子杂质散射在带边附近影响较大，而极化光学声子散射则是限制迁移率的关键机制。这种机制与BAs中以离子杂质和声学形变势散射为主导的情况显著不同。

图2. Al ₂ B ₁₂ C 的电子性质。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

图3. Al ₂ B ₁₂ C 的双极性传输性质和光吸收系数。图片来源： J. Am. Chem. Soc.

Al ₂ B ₁₂ C 表现出各向异性的光吸收特性，尤其在 a / b 方向，其光吸收系数可达 10 ⁵ cm ^-1 。在波长大于605 nm时， Al ₂ B ₁₂ C 的光吸收系数与GaAs和InP相当，低于该波长时则超过GaAs、InP、Si和BAs。在 c 方向， Al ₂ B ₁₂ C 在527 nm以下的光吸收系数高于Si和BAs。鉴于其出色的双极性载流子迁移率、宽广的光谱吸收范围和较高的光吸收系数，该材料在光电子器件和光伏电池领域具有潜在的应用前景。

这一成果近期发表在《美国化学会志》（ Journal of the American Chemical Society ）上，文章的第一作者是燕山大学理学院博士研究生 丁世聪 。通讯作者为美国纽约州立大学布法罗分校化学系的 Eva Zurek 教授、美国罗格斯大学物理系的朱黎教授以及燕山大学的 杨国春 教授。该研究得到了国家自然科学基金、外国专家引进计划、中央指导地方科技发展基金以及河北省自然科学基金等多个项目的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

【材料】燕山大学杨国春教授课题组JACS：双极性半导体Al2B12C，展现光电器件应用潜力

正文

请到「今天看啥」查看全文