Nat Mater：北京大学最新成果登刊！研制出单晶层状高介电材料Bi₂SeO₅

在亚10纳米技术节点上，硅基晶体管缩放面临着诸多等挑战，例如界面缺陷和超薄硅沟道的栅极电流泄漏。对于下一代纳米电子学，具有原子级厚度和无悬键表面的高迁移率二维（2D）层状半导体，有望作为沟道材料，以实现更小的沟道尺寸、更少的界面散射和更有效的栅场穿透。然而，二维2D电子学的进一步进展，受制于诸如缺乏具有原子级平坦和无悬键表面的高介电常数 dielectric constant（κ）电介质材料等因素。

鉴于此，近日 北京大学化学学院彭海琳 教授研究团队 在 《Nature Materials》 上发表题为 “Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant” 的研究论文。

研究主要报道了一种高介电常数层状单晶材料 Bi ₂ SeO ₅ 高效便捷的制备方法。他们通过化学气相输运法制备了 Bi ₂ SeO ₅ 层状大单晶，单晶横向尺寸达厘米级。 Bi ₂ SeO ₅ 单晶的层间结合力较弱，通过机械解理法可制得大面积均匀、原子级平整的纳米薄片。电容-电压测量结合扫描探针微波成像技术表征表明， Bi ₂ SeO ₅ 二维单晶的室温介电常数高达16.5，远高于hBN。电学测量表明， Bi ₂ SeO ₅ 二维单晶具有很高的介电强度，其击穿场强高达10~30 MV/cm，优于hBN样品。理论计算也表明，高品质层状 Bi ₂ SeO ₅ 中较强的离子极化导致其兼具高介电常数与高击穿场强。

研究团队采用二维材料转移技术，叠层构筑了Bi ₂ SeO ₅ 二维纳米片封装的高迁移率二维半导体Bi ₂ O ₂ Se场效应霍尔器件。

图1：vDW层状亚硒酸氧铋Bi₂SeO₅单晶的结构和特性。

低温量子输运测量表明，通过Bi ₂ SeO ₅ 的封装，二维半导体Bi ₂ O ₂ Se的载流子迁移率显著提升，低温霍尔迁移率高达470000 cm ² /Vs（迄今为止Bi ₂ O ₂ Se体系的最高迁移率），并首次观测到Bi ₂ O ₂ Se的量子霍尔效应。

图2：范德华vDW层状 Bi₂SeO₅ 纳米片的剥离和表征。

二维单晶介电材料Bi ₂ SeO ₅ 不仅可作为二维Bi ₂ O ₂ Se的理想封装材料与栅介质，也适用于其他二维材料体系，如MoS ₂ 、石墨烯等。

图3：范德华vDW层状 Bi₂SeO₅ 的介电性能 。

高介电性能层状单晶材料Bi ₂ SeO ₅ 的研发为纳米器件研究提供了优异的封装材料与栅介质材料，使得二维材料载流子迁移率与载流子浓度具有高度可调控性，并可有效降低二维晶体管的功耗，在未来微纳电子器件的发展中具有重要意义。

图4：用 Bi₂SeO₅ 纳米片封装二维材料Bi ₂ O ₂ Se的输运性质。

此外，兼具高介电常数和高介电强度的电介质材料Bi ₂ SeO ₅ 的开发，有望突破介电瓶颈，实现超高储能密度和效率。因此，高介电性能的新型层状单晶材料Bi ₂ SeO ₅ 的研发具有重要的基础科学意义和应用价值。 该项研究发现，拓展了电介质领域，并为降低二维2D电子和集成电路中的栅极电压和功耗，开辟了新的可能性。

参考文献

Congcong Zhang, TengTu, Jingyue Wang, Yongchao Zhu, Congwei Tan, Liang Chen, Mei Wu, Ruixue Zhu

Yizhou Liu, Huixia Fu Jia Yu, Yichi Zhang, Xuzhong Cong, Xuehan Zhou, liaji Zhao, Tianran Li, Zhimin Liao,

Xiaosong Wu, Keji Lai, Binghai Yan, Peng Gao, Qiangian Huang, Hai Xu, Huiping Hu, ... Hailin Peng

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01502-7

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