解析超高迁移率层状硒氧化铋半导体的电子结构

【引言】

寻找拥有优异电子性能的新型材料是半导体工业持续发展的关键。近十年来，二维半导体以其高迁移率、带隙合理的特点成为发展新一代电子器件的热门材料。与包括石墨烯在内的几种主要二维材料相比，具有二维层状结构的硒氧化铋不仅载流子迁移率、带隙等方面的特点突出，基于其制备的器件还能够在室温低电压条件下工作，在高速低功耗设备、红外光探测等方面均展现出优异的性能。此外，硒氧化铋的Bi-O层和钙钛矿氧化物有匹配的晶体结构，可以与超导、铁磁、铁电等多种功能氧化物形成异质结构并展现丰富的物理性质。因此，为了全面开发硒氧化铋材料在电子、热电、光电器件等领域的应用价值，深入了解其精细的电子结构是非常有必要的。

【成果简介】

近日，北京大学的彭海琳教授课题组以及牛津大学的陈宇林教授课题组（共同通讯作者）与上海科技大学联合团队合作，揭示了超高迁移率层状硒氧化铋半导体的电子结构及表面特性。彭海琳教授课题组及其合作者于2年多前首次发现了二维硒氧化铋层状材料，其后再次基础上开展了多项引人注目的研究（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nature Commun. 2018, 9, 3311）。在这些成果的基础上，牛津和上海科技大学联合团队利用角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道显微技术（STM）系统绘制了硒氧化铋的完整能带结构。通过解析这一结构，研究人员发现硒氧化铋的带隙展现出不同寻常的稳健性和空间一致性——即便在分裂样品表面也没有出现表面态或者边缘态。这一发现进一步表明硒氧化铋是发展新一代电子器件的理想材料。2018年9月14日，相关成果以题为“Electronic structures and unusually robust bandgap in an ultrahigh-mobility layered oxide semiconductor, Bi₂O₂Se”在线发表在Science Advances上。

【图文导读】

图1 硒氧化铋单晶的基本表征

(A)由氧化铋和硒层交替堆叠形成体心四方结构的硒氧化铋晶体

(B)ⅰ.光学照片显示了硒氧化铋的层状结构和发亮的开裂表面；ⅱ.各晶面的XRD分析；ⅲ.核级光电子能谱分别显示了铋和硒特定轨道的特征峰

(C)ⅰ.霍尔迁移率以及载流子密度与硒氧化铋单晶温度的关系；ⅱ.低温下SdH量子振荡现象的存在表明了载流子相对较长的平均自由程

(D)ⅰ.开裂过程示意图表明开裂后只有大约50%的硒原子存留在氧化铋层上；ⅱ.ARPES显示了硒氧化铋的间接带隙宽度约为0.8eV

图2硒氧化铋的表面形貌和统一的带隙

(A)STM显示了开裂的硒氧化铋表面呈现出阶梯形貌，阶梯边缘高度差达到0.61nm左右

(B)ⅰ放大的STM图像显示了阶梯边缘附近区域；ⅱ以及ⅲ.原子级分辨表面拓扑学显示了由50%硒空位形成的表面织物模式；ⅳ.进一步放大的图像显示了硒空位和硒原子

(C)扫描隧道谱（STS）显示出邻近和远离阶梯边缘区域的带隙宽度均约为0.8eV

(D) STS图谱展示了带隙宽度的统一性

图3硒氧化铋的完整能带结构

(A)k_y-k_z平面的费米面绘制

(B)由导带形成的电子口袋的细节部分

(C)能带色散图没有观测到边缘态或者表面态的存在

(D)能带结构的详细三维图像解析

图4 硒氧化铋的表面图形及其对能带结构的影响

(A)大面积原子级分辨STM拓扑图像显示了开裂样品表面的周期性结构

(B)开裂表面图形的蒙特卡洛模拟和快速傅里叶变换（FFT）

(C)表面铋、硒原子的STS实验测量和计算结果

【小结】

这项工作通过实验观测发现新型超高迁移率层状硒氧化铋半导体材料的带隙具备优异的空间一致性，即便材料存在表面缺陷（约50%的硒空位）的条件下，带隙依然表现出强大的稳健性能。此外，通过改变材料的厚度还能调控带隙宽度。围绕硒氧化铋电子结构开展的这一系列的实验和理论研究不仅加深了对新型二维半导体的认识，也推动了对硒氧化合物的研究进程。