【复材信息】陈翔&曾海波，Nature Materials！

03-13 06:19

选题背景

随着硅基晶体管尺寸的不断缩小，摩尔定律正在逼近其物理极限，传统硅基半导体技术面临的“短通道效应”和“功耗急剧增加”问题越来越严重。探索新材料和结构是后硅时代的关键。凭借其原子级薄厚、高载流子迁移率和强栅极调节能力，二维半导体已成为继续摩尔定律的理想备选材料之一。但由于界面电荷杂质和内部结构缺陷导致的强电子夹杂效应，二维半导体材料的研发仍然面临着“N多P少，N强P弱”的瓶颈。因此，对于突破亚10nm晶体管技术节点，开发高性能、高可靠的二维P型半导体尤为重要，对未来电子学的发展具有深远的意义。此外，由于其独特的物理和化学特性，二维非片层半导体材料受到广泛关注，但其三维原子之间强大的共价键作用力限制了其在二维原子尺度和晶体管电子应用的发展。

鉴于此，陈翔、曾海波等人在南京理工大学。《Nature Materials》《期刊》发表了一篇名为“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi2O3 crystals with high hole mobility"最新论文。这个小组提出了一种盐-氧协助化学气相沉积（CVD）合成策略，设计了一种低熔点二维片层中间产物的合成策略（BiOCl，亚稳相)协助低配位结构二维非片层氧化？（β-晶体可控生长的有效路径Bi2O3。这种方法突破了非片层氧化邈的一维生长和多相并存的局限性，解决了晶体原子之间强大的三维共价键力各向异性生长的问题，完成了原子级表面的平整。（Ra ~ 0.17 nm）、厚度在0.3-15 在nm范围内可调节，晶类大小达到50-200 μm的二维β-可控生成Bi2O3晶体。该团队透露，从原子/分子簇(气相)到Bi，通过聚焦形核和生长过程，-O-Na-Cl液(液相)，然后是BiOCl(固相1)，以及最后一个β-在晶体生长动力学转换过程中，Bi2O3(固相2)发现了一种罕见的气-液-固-固-（VLSS）生长机制。与此同时，他们完成了二维。β-1.58，Bi2O3晶体带隙 eV到2.24 EV的精确调节，基于优质、表面原子级平整、不同厚度的二维调节β-Bi2O3构建了高性能P型场效应晶体管装置。该研究结果为开发更多“非片层”材料(不限于金属氧化物)的“晶体二维化、表面光滑”提供了新的方法，促进了P型晶体管电子领域二维非片层半导体材料的发展，具有广泛的参考价值和应用价值。

另外，陈翔、曾海波教授应邀为《Nature Materials》这本杂志写的名字叫“杂志”A non-layered two-dimensional semiconductor for p-type transistors” Research 文章Briefing文章（Nature Materials, https://doi.orgResearch,/10.1038/s41563-025-02165-2 Briefing和Nature 同一天，Materials的研究工作上线。美国劳伦斯伯克利国家实验室资深科学家Haimeimei，被称为“液相电子显微镜领域的先驱” Zheng教授(加州大学伯克利分校材料科学与工程系兼职教授)对Nature Materials工作评论：“本工作报道了利用VLSS生长机制通过CVD方法在SiO2/Si衬底上成功制备二维单晶。β-Bi2O3。这一独特的VLSS生长机制为系统的表征和测量提供了令人信服的证据。系统的表征和测量为这种独特的VLSS生长机制提供了令人信服的证据。我认为这项工作将为广泛的材料科学领域提供宝贵的补充，尤其是近年来备受关注的二维材料合成和应用领域。” 《Nature Materials》编者还对该工作给予了高度评价：“与N型半导体相比，二维材料中的P型半导体较少。本研究对非片层晶体进行了研究，并报道了二维。β-合成Bi2O3。结果表明，该材料作为P型晶体管的通道材料具有良好的性能和可靠性。另外，这项研究还揭示了这一独特的VLSS生长机制，在二维非片层晶体形成过程中。“这个结果不仅为二维非片层材料的合成提供了新的思路，也为非片层P型半导体在电子设备中的应用奠定了基础。

研究亮点

实现二维非片层β-可控生成的Bi2O3：研究小组开发了一种盐-氧协助化学气相沉积（CVD）采用低熔点二维片层中间产物的方法（BiOCl）作为桥梁，二维非片层成功合成高熔点。β-在0.3-15之间实现了Bi2O3晶体厚度。精确控制在nm范围内。透射电子显微镜透过高角环状暗场扫描（HAADF-STEM）亚纳米厚度β-对其原子结构堆叠方式进行了Bi2O3晶体表征分析。结果表明，通过两个半单胞厚度的原子结构，单胞厚度的原子结构可以转动90°之后，通过Bi-O共价键连接，将ABA堆叠的周期性排列展现出来。

发现气-液-固-固-固-（VLSS）生长机制：通过XPS、EDS和HAADF-研究小组揭示了STEM等系统的表征手段，从气态原子/分子群到液体，再到片层BiOCl和最终非层状。β-Bi2O3的相变过程，并且在生长过程中捕捉到了BiOCl的晶体边缘β-改变Bi2O3的关键证据-4|5|6 原子闭环结构Bi。作为液相中间的产物，片层BiOCl限制了垂直生长，对于二维非片层来说β-形成Bi2O3起着关键作用。作为液相中间的产物，片层BiOCl限制了垂直生长，对于二维非片层来说β-Bi2O3的形成起着关键作用。这个结果证实了气-液-固-固-固。（VLSS）生长系统的存在。

3. 揭示二维β-结合Bi2O3空穴导电机理：β-原子结构表征与Bi2O3第一原理密度泛函理论（DFT）研究小组对不同厚度下的态密度进行了分析。（DOS）以及分波密度（PDOS），并且使用电子局域函数（ELF）对晶胞中的晶胞进行了探讨-Bi-O-构造。结果表明，二维β-Bi2O3的P型导电来源于Bi2O3 6s26p3轨道和O 在价带顶M点上，2p4轨道具有较强的亚轨杂化作用，这种杂化作为载流子传输提供了较低的优质路径。

4. 构建高性能二维P型晶体管设备:基于制备厚度可控、间隙可调、表面光滑、质量高的二维P型晶体管设备β-研究小组建立了Bi2O3晶体2.4。二维厚度nmβ-Bi2O3 P型场效应晶体管（FET）。该装置在室温下显示136.6. cm2 V-1 s-空穴迁移率和高达1.2×108开关比例，其整体性能位居二维P型非片层材料晶体管前列。该结果为高性能P型二维半导体材料的研究与开发提供了重要参考。

图文解读

图1. 二维非片层的亚纳米厚度下二维。β-原子结构表征Bi2O3晶体

图2. 二维非片层β-气-液-固-固-固-Bi2O3（VLSS）生长机制

图3. 二维非片层β-Bi2O3电子能带结构和空穴导电机制

图4. 二维非片层β-P型场效应晶体管的Bi2O3性能

结论展望

通过盐-氧协助化学气相沉积，这项研究克服了二维规模下非片层氧化邈的生长难题。（CVD）该技术在SiO2/Si衬底上实现了0.3-15的厚度在nm范围内进行二维β-精确生成Bi2O3单晶，揭示了一种独特的气-液-固-固-固（VLSS）生长机制，为非片层材料的二维化和表面平整开辟了新的道路。二维β-Bi2O3具有优异的P型电学性能，其场效晶体管（FET）136.6.6完成了室温 cm2 V-1 s-空穴迁移率和高达1.2×在高性能P型二维非片层半导体领域，108电流开关比弥补了空白。另外，这种材料还具有薄厚依赖的带缝可特性和优异的气体稳定性。未来的研究还需要重点进一步优化材料质量和设备性能，探索其在高性能互补电子设备中的应用，促进二维P型半导体材料的发展，为后摩尔电子学的进步提供关键材料支持。本研究发现的VLSS生长机制不同于传统的气-液-固（VLS）或气-固-固（VSS）机制为R&D二维非片层半导体材料提供了宝贵的参考，有望促进这类材料在未来电子、光电子等领域的广泛应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02141-w

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