研究前沿：南京理工大学曾海波/陈翔团队-二维材料-超薄β-Bi2O3晶体 | Nature Materials

今日新材料 · 公众号 · · 2025-03-08 00:36

正文

目前在数量和性能上， p型二维2D材料，都落后于n-型材料，这阻碍应用在先进 p-沟道晶体管和互补逻辑电路。非层状材料占晶体结构95%，具有成为优秀p型2D材料的潜力，但合成技术，仍然具有挑战性。

今日，南京理工大学Yunhai Xiong, Duo Xu, Yousheng Zou，陈翔Xiang Chen & 曾海波Haibo Zeng等，在Nature Materials上发文，报道了在SiO2/Si衬底上，实现了原子级薄（<1nm）、高质量、非层状2D β-Bi2O3晶体的气-液-固-固生长。

这些晶体，通过层状BiOCl中间体转化而形成。还进一步实现了具有室温空穴迁移率和开/关电流比分别为136.6cm2V−1s−1和1.2×10^8的2D β-Bi2O3晶体管。

Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi 2 O 3 crystals with high hole mobility.

具有高空穴迁移率，二维非层状β-Bi2O3晶体的气-液-固-固生长

图1:2D非层状β-Bi2O3理论和实验原子结构。

图2:2D非层状β-Bi2O3的气-液-固-固vapour–liquid–solid–solid，VLSS生长机制。

图3:二维非层状β-Bi2O3的能带结构演化和p型导电机制。

图4:p型2D非层状β-Bi2O3的场效应晶体管field-effect transistors ，FET性能。

β-Bi2O3是一种非层状四方晶系半导体，在能源和催化领域的应用而得以广泛研究。以不同的结构存在，如纳米粒子、纳米球、纳米线、纳米管和薄膜等。然而，在二维非层状β-Bi2O3的直接合成和p型调控中，存在相当大的挑战。首先，高熔点、低蒸气压和晶体学中的择优生长，都阻碍了大尺寸β-Bi2O3晶体，以二维形式生长。第二，具有3D共价键的本征结构，阻止了超平晶体的形成，并且载流子散射增强，迁移率降低。第三，由液相合成得到较低的结晶度和混合相，限制了单晶的生产。此外，β-Bi2O3块状晶体中，O 2p轨道价带顶的局域化性质阻碍了空穴浓度的增加。最后，在p型2D半导体和金属之间容易形成肖特基势垒，这降低了空穴注入效率和场效应迁移率。

为此，必须解决两个关键领域的问题。首先，需要降低前驱体的熔点，增加蒸发能力，防止纵向生长，并获得原子级平坦的晶体表面和具有纯相的高晶体质量。第二，通过合适的金属电极，以调节肖特基势垒高度，以提高空穴注入效率。