彭海琳Acc. Mater. Res.综述：2D Bi2O2Se：面向下一代电子行业的新兴材料平台

Nanoyu

2021-08-22

自1950年以来，硅一直是微电子行业的主要半导体。遵循摩尔定律，硅基集成电路 (IC) 技术到 2020 年底将发展到 5 nm节点。然而，硅基电子产品也会面临各种挑战，例如载流子迁移率降低和亚 10 nm节点的短沟道效应的增加。为了克服这些缺点，二维 (2D) 半导体因其固有的原子厚度、柔韧性和无悬挂键表面而成为下一代电子产品最具竞争力的候选材料之一。在所有二维半导体中，空气稳定和高迁移率的2D Bi₂O₂Se 半导体是一种新型三元材料，具有一些突出的优势，使其在电子行业中尤其受到欢迎。首先，它表现出超高的载流子迁移率、适中的带隙、出色的稳定性和优异的机械性能。其次，它可以在高温下与氧等离子体或氧反应，形成高 κ 天然氧化物 Bi₂SeO₅。Bi₂SeO₅ 与 Bi₂O₂Se 形成原子级尖锐的界面，可直接用作栅极电介质。 此外，Bi₂O₂Se 还具有一些有趣的物理特性，如强自旋轨道耦合、二聚硒空位和铁电性等。利用这些特性，研究人员制造了高性能电子器件，包括逻辑器件、光电子器件、热电器件、传感器和存储器件等。

近日，北京大学彭海琳教授综述了2D Bi₂O₂Se 在下一代电子工业中的应用，包括其物理和化学特性、高质量 Bi₂O₂Se 薄膜的合成以及基于 Bi₂O₂Se 的电子器件和电路的发展。

文章要点

1）作者首先系统地回顾了2D Bi₂O₂Se 的结构，包括其晶体结构、表面结构、点缺陷和电子能带结构，以及这些结构如何影响二维 Bi₂O₂Se 中的电子传输。

2）作者总结了2D Bi₂O₂Se材料的不同合成方法，包括化学气相沉积 (CVD)、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延 (MBE) 和溶液辅助方法。所有这些方法在大规模生产中都显示出巨大的应用潜力。

3）作者阐明了Bi2O2Se 的结构如何影响其化学和物理性质，如化学反应性和铁电、压电和机电性能。接着总结了如何在电子器件中利用这些特性，包括场效应晶体管、逻辑门、辐射热计、光电探测器、热电器件、压电器件、传感器和存储器件等。

4）作者最后对如何将大面积 Bi₂O₂Se 薄膜图案化为隔离的通道区域，并将这些器件集成到全功能电路中提出了个人看法。

2D Bi₂O₂Se 是一种很有前途的半导体，正如大量基于高性能 2D Bi₂O₂Se 的器件所证明的那样。因此，期待 2D Bi₂O₂Se 的独特特性可以提供额外的机会来补充或取代硅作为下一代电子行业的材料平台。而要填补梦想与现实之间的差距，还有大量研究工作，尤其是在大规模材料合成和系统器件集成这两方面。

参考文献

Tianran Li, Hailin Peng, 2D Bi₂O₂Se: An Emerging Material Platform for the Next-Generation Electronic Industry, Acc. Mater. Res., 2021

DOI: 10.1021/accountsmr.1c00130

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00130