InfoMat:新型二维Bi2O2X材料在电子与光电子中的应用

原子级薄的二维(2D)材料由于其独特的结构和新颖的特性引起了科学界和工业界的广泛关注,在信息存储、能源催化和光电探测等领域展现出了光明前景。尽管许多研究已经证明了这些2D材料的独特性能,但一些固有缺陷仍然阻碍了它们的进一步发展。如石墨烯的零带隙、过渡金属硫属化合物的低载流子迁移率、黑磷的环境不稳定性等导致其在使用中总有一方面不尽人意。因此,探索兼具合适带隙、超高载流子迁移率和优异环境稳定性的新型2D材料对于下一代半导体器件的科学研究和产业发展具有重要意义。最近,研究者发现2D铋氧硫族化合物(Bi2O2X, X = S, Se, Te)则是一类可以满足上述要求的材料,其带隙范围为 0.11-1.27 eV,电子迁移率可达20000 cm2 V-1 s-1以上。另外,这类材料由于本身的含氧属性而展现出了优异的环境稳定性。除此之外,2D Bi2O2X还具备其他新奇的物理特性,比如铁弹性、铁电性、反铁电性、超快光响应(~1 ps)以及近乎理想的亚阈值摆动值(65 mV dec-1)等。这些独特的物性使2D Bi2O2X在电子和光电子器件应用中得到了广泛研究。

基于此,华中科技大学翟天佑教授团综述了2D Bi2O2X在电子和光电子应用中的研究进展。综述首先简要介绍了2D Bi2O2X的结构特征和基本性质,随后详细阐述了2D Bi2O2X薄片的制备方法,包括水热合成和气相沉积,然后重点讨论了2D Bi2O2X在场效应晶体管、人工突触、光开关和光电探测器等领域的应用。最后,文章总结了2D Bi2O2X所面临的主要挑战,并提出了一些可能的解决方案。(1)材料制备方面,为满足未来商业应用,需要开发一种低成本、高效率的方法来制备厚度可控的圆片级2D Bi2O2X单晶。(2)物性探究方面,理论预测2D Bi2O2X是一类具有铁电性/铁弹性材料,但实验验证鲜有报道,需要更深入的理论加实验研究。(3)功能应用方面,结合应力调控、异质掺杂、能带工程等方法,可以开发更多具有独特功用的电子与光电子器件。

(4)商用探索方面,目前研究仍处于原型器件阶段,如何做到商用是未来极具挑战的课题,这可能需要与成熟的硅基技术相融合。该工作在InfoMat上以题为“Emerging two-dimensional bismuth oxychalcogenides for electronics and optoelectronics”在线发表(DOI: 10.1002/inf2.12215)。

作者简介

翟天佑,1980年生,华中科技大学二级教授,材料成形与模具技术国家重点实验室副主任,2003年本科毕业于郑州大学化学系,2008年博士毕业于中国科学院化学研究所(导师:姚建年院士),2008-2012年在日本物质材料研究所先后任JSPS博士后(合作导师: Yoshio Bando教授)和ICYS研究员,2013年加入华中科技大学工作。主要从事二维光电材料与器件方面的研究工作,以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev. (4), Adv. Mater. (26), Adv. Funct. Mater. (37), Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. Int. Ed. (4) 等期刊上发表SCI论文200余篇(125篇IF>10),所有论文SCI引用>20000次,H指数76,2015/2018/2019/2020年四次入选全球高被引科学家,是万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、湖北省创新群体资助对象,曾获国家自然科学二等奖(5/5)、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。现任《InfoMat》副主编,《科学通报》、《高等学校化学学报》、《无机材料学报》等7个期刊编委,兼任中国硅酸盐学会青年工作委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事等。