2023年3月9日，beat365官方网站彭海琳教授研究團隊在《自然—材料》（Nature Materials）在線發表了題為“Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant”的研究論文，報道了一種範德華層狀高介電常數單晶材料Bi2SeO5。
高性能介電材料在電子、電氣、能量轉換及電介質儲能等領域具有廣闊的應用前景。高介電常數和高介電強度的先進電介質材料的開發備受關注。在新型納米材料與電子器件研究領域，俗稱“白石墨”的六方氮化硼（hBN）被廣泛用作電子封裝材料與介電材料。hBN塊體單晶因其良好的電絕緣性及範德華層狀結構，可解離成二維絕緣材料，作為原子級平整的封裝和介電層，在二維材料各類新奇物性探索中發揮了重要作用。例如，經hBN封裝的二維材料中已觀測到了分數量子霍爾效應、二維鐵磁、二維超導等重要物理現象。然而，hBN的介電常數偏低（κ ≈ 3.5），導緻其電場調控能力不足和庫倫屏蔽作用不強；更重要的是，高品質hBN塊體單晶需要高溫（>1500 oC）和高壓（約4萬大氣壓）等苛刻的制備條件，生長速度緩慢，得到的單晶尺寸較小。當前隻有為數不多的研究機構可以通過高溫高壓合成高品質hBN塊體單晶，這嚴重限制了它的廣泛應用。因此，高效便捷制備新型高介電常數層狀單晶介電材料具有重要意義。
beat365官方网站彭海琳課題組前期開發了高遷移率二維半導體（Bi2O2Se）及其超薄自然氧化物栅介質Bi2SeO5（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643）。最近，彭海琳課題組報道了一種高介電常數層狀單晶材料Bi2SeO5高效便捷的制備方法。他們通過化學氣相輸運法制備了Bi2SeO5層狀大單晶，單晶橫向尺寸達厘米級。Bi2SeO5單晶的層間結合力較弱，通過機械解理法可制得大面積均勻、原子級平整的納米薄片。電容-電壓測量結合掃描探針微波成像技術表征表明，Bi2SeO5二維單晶的室溫介電常數高達16.5，遠高于hBN。電學測量表明，Bi2SeO5二維單晶具有很高的介電強度，其擊穿場強高達10~30 MV/cm，優于hBN樣品。理論計算也表明，高品質層狀Bi2SeO5中較強的離子極化導緻其兼具高介電常數與高擊穿場強。
圖1. 單晶層狀高κ栅介質Bi2SeO5的結構與性質。（a）層狀Bi2SeO5的晶體結構;（b）氣相輸運法制得的Bi2SeO5厘米級單晶的光學照片；（c）機械解理大面積Bi2SeO5納米片光學照片；（d）層狀Bi2SeO5的典型高分辨透射電鏡成像;（e）層狀Bi2SeO5的介電常數和擊穿場強及與其他常見層狀栅介質的比較。
高介電性能的Bi2SeO5二維單晶應用于電學器件中可獲得很強的栅極調控能力。研究團隊采用二維材料轉移技術，疊層構築了Bi2SeO5二維納米片封裝的高遷移率二維半導體Bi2O2Se場效應霍爾器件。低溫量子輸運測量表明，通過Bi2SeO5的封裝，二維半導體Bi2O2Se的載流子遷移率顯著提升，低溫霍爾遷移率高達470000 cm2/Vs（迄今為止Bi2O2Se體系的最高遷移率），并首次觀測到Bi2O2Se的量子霍爾效應。二維單晶介電材料Bi2SeO5不僅可作為二維Bi2O2Se的理想封裝材料與栅介質，也适用于其他二維材料體系，如MoS2、石墨烯等。
圖2. 層狀單晶Bi2SeO5納米片的封裝與栅控能力評估。（a）電學輸運測試器件示意圖；（b）Bi2SeO5封裝二維Bi2O2Se納米片的超高霍爾遷移率；（c）Bi2SeO5封裝二維MoS2的遷移率提升；（d）層狀單晶Bi2SeO5與hBN的栅控能力對比。
高介電性能層狀單晶材料Bi2SeO5的研發為納米器件研究提供了優異的封裝材料與栅介質材料，使得二維材料載流子遷移率與載流子濃度具有高度可調控性，并可有效降低二維晶體管的功耗，在未來微納電子器件的發展中具有重要意義。此外，兼具高介電常數和高介電強度的電介質材料Bi2SeO5的開發，有望突破介電瓶頸，實現超高儲能密度和效率。因此，高介電性能的新型層狀單晶材料Bi2SeO5的研發具有重要的基礎科學意義和應用價值。
該研究成果以“單晶型範德華層狀高介電常數材料”（Single-crystalline van der Waals layered dielectric with high dielectric constant）為題，近日發表于Nature Materials。beat365彭海琳教授是該論文工作的通訊作者，第一作者包括beat365官方网站博士畢業生張聰聰、塗騰、博雅博士後王璟嶽、中南大學在北大聯合培養博士生朱永朝、以及北京石墨烯研究院/beat365電子學院尹建波研究員。合作者還包括beat365物理學院的吳孝松研究員、廖志敏教授、高鵬研究員、beat365集成電路學院的黃芊芊研究員、以色列魏茨曼科學研究院的顔丙海教授、中南大學的徐海教授、胡慧萍教授、及美國德州大學奧斯汀分校的賴柯吉教授。
該研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會、beat365博雅博士後等機構和項目的資助，并得到了beat365官方网站分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平台的支持。
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