Advanced Materials:二维Ca3Sn2S7硫化物钙钛矿:具有0.5 eV直接带隙和超高载流子迁移率6.7×10^4·cm^2·V^(-1)·s^(-1)的类石墨烯半导体

石墨烯是材料科学领域的一颗迅速崛起的新星,它开启了二维材料的大门。作为纳米光电子器件和广泛使用的电极的理想材料,石墨烯除了具有优异的弹性和刚度外,还具有最高的载流子迁移率(104-105 cm2 V−1 s−1)。然而,石墨烯作为一种典型的半金属材料,它的零带隙极大地限制了其在半导体工业中的应用。自石墨烯被发现以来,它的零带隙一直是世界范围内最具挑战性的难题之一。     

多年来,人们一直致力于解决这一关键问题,最主要的打开石墨烯带隙方法可以概括为下面两种。第一种是通过掺杂、吸附、衬底相互作用、外加电场、应变、建立二维异质结等方法直接打开石墨烯的带隙。不幸的是,在打开石墨烯带隙的同时,保持其具有超高载流子迁移率的线性电子色散的多种尝试,至今仍未成功。第二种方法是开辟新的路径,寻找新的具有超高载流子迁移率(线性色散)的二维材料,如二硫化钼、硅烯、锗烯和磷烯等,它们构成了新的二维材料家族。遗憾的是,迄今还没有发现任何具有类似石墨烯线性电子色散和超高载流子迁移率的二维半导体。

北京大学物理学院史俊杰教授及其研究团队注意到:钙钛矿材料具有多样的组成和结构,如ABX3(具有三个不同原子位置的三维结构) 、A’2[An−1BnX3n+1] (二维Ruddlesden-Popper型结构)、A'[An−1BnX3n+1] (二维Dion-Jacobson型结构)、A’2An−1BnX3n+3 (二维111型结构)和AnBnX3n+2 (二维110型结构)等,为材料设计提供了一个理想和庞大的平台。此外,钙钛矿结构中阳(阴)离子价态的劈裂和置换,阳(阴)离子的混合等,为组分工程提供了更多的可能性,从而极大地调节了所设计的钙钛矿材料的电子结构(带隙和电子色散)及物理、化学性质,为寻找具有新奇性质的材料开辟了一条新的道路。

最近,他们在硫化物钙钛矿的研究中,意外发现了一种新奇的稳定且环境友好的二维钙钛矿半导体Ca3Sn2S7材料,它具有类似石墨烯的线性Dirac锥电子色散,直接的本征准粒子带隙0.5 eV,超小载流子有效质量0.04m0,室温下载流子迁移率高达6.7×104 cm2V−1s−1,光吸收系数高达105 cm-1(超越钙钛矿光伏明星材料MAPbI3), 从一个全新的角度实现了打开石墨烯带隙的梦想。该项研究将会为二维钙钛矿材料的设计和研发提供新的思路,并进一步促进半导体产业的发展。相关论文近期在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201905643)上。