2023年3月9日，北京大學化學與分子工程學院/北京石墨烯研究院彭海琳課題組在《自然—材料》（Nature Materials）在線發(fā)表了題為“Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant”的研究論文，報道了一種范德華層狀高介電常數(shù)單晶材料Bi₂SeO₅。

高性能介電材料在電子、電氣、能量轉(zhuǎn)換及電介質(zhì)儲能等領域具有廣闊的應用前景。高介電常數(shù)和高介電強度的先進電介質(zhì)材料的開發(fā)備受關注。在新型納米材料與電子器件研究領域，俗稱“白石墨”的六方氮化硼（hBN）被廣泛用作電子封裝材料與介電材料。hBN塊體單晶因其良好的電絕緣性及范德華層狀結(jié)構(gòu)，可解離成二維絕緣材料，作為原子級平整的封裝和介電層，在二維材料各類新奇物性探索中發(fā)揮了重要作用。例如，經(jīng)hBN封裝的二維材料中已觀測到了分數(shù)量子霍爾效應、二維鐵磁、二維超導等重要物理現(xiàn)象。然而，hBN的介電常數(shù)偏低（κ ≈ 3.5），導致其電場調(diào)控能力不足和庫倫屏蔽作用不強；更重要的是，高品質(zhì)hBN塊體單晶需要高溫（>1500℃）和高壓（約4萬大氣壓）等苛刻的制備條件，生長速度緩慢，得到的單晶尺寸較小。當前只有為數(shù)不多的研究機構(gòu)可以通過高溫高壓合成高品質(zhì)hBN塊體單晶，這嚴重限制了它的廣泛應用。因此，高效便捷制備新型高介電常數(shù)層狀單晶介電材料具有重要意義。

彭海琳課題組前期開發(fā)了高遷移率二維半導體（Bi₂O₂Se）及其超薄自然氧化物柵介質(zhì)Bi₂SeO₅（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643）。最近，彭海琳課題組報道了一種高介電常數(shù)層狀單晶材料Bi2SeO5高效便捷的制備方法。他們通過化學氣相輸運法制備了Bi₂SeO₅層狀大單晶，單晶橫向尺寸達厘米級。Bi₂SeO₅單晶的層間結(jié)合力較弱，通過機械解理法可制得大面積均勻、原子級平整的納米薄片。電容-電壓測量結(jié)合掃描探針微波成像技術表征表明，Bi₂SeO₅二維單晶的室溫介電常數(shù)高達16.5，遠高于hBN。電學測量表明，Bi₂SeO₅二維單晶具有很高的介電強度，其擊穿場強高達10~30 MV/cm，優(yōu)于hBN樣品。理論計算也表明，高品質(zhì)層狀Bi₂SeO₅中較強的離子極化導致其兼具高介電常數(shù)與高擊穿場強。

圖1 單晶層狀高κ柵介質(zhì)Bi₂SeO₅的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。（a）層狀Bi₂SeO₅的晶體結(jié)構(gòu);（b）氣相輸運法制得的Bi₂SeO₅厘米級單晶的光學照片；（c）機械解理大面積Bi₂SeO₅納米片光學照片；（d）層狀Bi₂SeO₅的典型高分辨透射電鏡成像;（e）層狀Bi₂SeO₅的介電常數(shù)和擊穿場強及與其他常見層狀柵介質(zhì)的比較。

高介電性能的Bi₂SeO₅二維單晶應用于電學器件中可獲得很強的柵極調(diào)控能力。研究團隊采用二維材料轉(zhuǎn)移技術，疊層構(gòu)筑了Bi2SeO5二維納米片封裝的高遷移率二維半導體Bi₂O₂Se場效應霍爾器件。低溫量子輸運測量表明，通過Bi₂SeO₅的封裝，二維半導體Bi₂O₂Se的載流子遷移率顯著提升，低溫霍爾遷移率高達470000 cm²/Vs（迄今為止Bi₂O₂Se體系的最高遷移率），并首次觀測到Bi₂O₂Se的量子霍爾效應。二維單晶介電材料Bi₂SeO₅不僅可作為二維Bi₂O₂Se的理想封裝材料與柵介質(zhì)，也適用于其他二維材料體系，如MoS₂、石墨烯等。

圖2 層狀單晶Bi₂SeO₅納米片的封裝與柵控能力評估。（a）電學輸運測試器件示意圖；（b）Bi₂SeO₅封裝二維Bi₂O₂Se納米片的超高霍爾遷移率；（c）Bi₂SeO₅封裝二維MoS₂的遷移率提升；（d）層狀單晶Bi₂SeO₅與hBN的柵控能力對比。

高介電性能層狀單晶材料Bi₂SeO₅的研發(fā)為納米器件研究提供了優(yōu)異的封裝材料與柵介質(zhì)材料，使得二維材料載流子遷移率與載流子濃度具有高度可調(diào)控性，并可有效降低二維晶體管的功耗，在未來微納電子器件的發(fā)展中具有重要意義。此外，兼具高介電常數(shù)和高介電強度的電介質(zhì)材料Bi₂SeO₅的開發(fā)，有望突破介電瓶頸，實現(xiàn)超高儲能密度和效率。因此，高介電性能的新型層狀單晶材料Bi₂SeO₅的研發(fā)具有重要的基礎科學意義和應用價值。

該研究成果以“單晶型范德華層狀高介電常數(shù)材料”（Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant）為題，近日發(fā)表于Nature Materials。彭海琳教授是該論文工作的通訊作者，第一作者包括北京大學化學與分子工程學院博士畢業(yè)生張聰聰、涂騰、博雅博士后王璟岳、中南大學在北大聯(lián)合培養(yǎng)博士生朱永朝、以及北京石墨烯研究院/北京大學電子學院尹建波研究員。合作者還包括北京大學物理學院的吳孝松研究員、廖志敏教授、高鵬研究員、北京大學集成電路學院的黃芊芊研究員、以色列魏茨曼科學研究院的顏丙海教授、中南大學的徐海教授、胡慧萍教授、及美國德州大學奧斯汀分校的賴柯吉教授。

該研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會、北京大學博雅博士后等機構(gòu)和項目的資助，并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺的支持。 

論文鏈接: 

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01502-7

供稿部門：石墨烯器件技術研究部