研究背景
隨著硅基晶體管尺寸的持續微縮，摩爾定律正逼近其物理極限，傳統硅基半導體技術所面臨的“短溝道效應”和“功耗激增”問題愈發嚴峻。在后硅時代，探索新型材料與架構成為關鍵。二維半導體憑借其原子級厚度、高載流子遷移率和強柵極調控能力，成為延續摩爾定律的理想候選材料之一。然而，由于界面電荷雜質和內部結構缺陷導致的強電子摻雜效應，二維半導體材料的開發仍面臨“N多P少，N強P弱”的瓶頸。因此，開發高性能、高可靠的二維P型半導體對于突破亞10nm晶體管技術節點至關重要，對未來電子學的發展具有深遠意義。此外，二維非層狀半導體材料因其獨特的物理和化學性質受到廣泛關注，但其三維原子間的強共價鍵作用力限制了其在二維原子尺度上的開發和晶體管電子學應用。
鑒于此，南京理工大學陳翔、曾海波等人在《Nature Materials》期刊上發表了題為“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi2O3 crystals with high hole mobility”的最新論文。該團隊提出了一種鹽-氧輔助化學氣相沉積（CVD）的合成策略，設計了一種以低熔點二維層狀中間產物（BiOCl，亞穩相）輔助低配位結構二維非層狀氧化鉍（β-Bi2O3）晶體可控生長的有效路徑。這一方法突破了非層狀氧化鉍的一維擇優生長及多相共存限制，克服了晶體原子間強三維共價鍵力各向同性生長的難題，實現了原子級表面平整（Ra ~ 0.17 nm）、厚度在0.3-15 nm范圍內可調、晶疇尺寸達50-200 μm的二維β-Bi2O3晶體的可控合成。通過聚焦形核與生長過程，該團隊揭示了從原子/分子團簇（氣相）到Bi-O-Na-Cl液滴（液相），再到BiOCl（固相1），以及最終β-Bi2O3（固相2）的晶體生長動力學轉變過程，并發現了一種罕見的氣-液-固-固（VLSS）生長機制。同時，他們實現了二維β-Bi2O3晶體帶隙從1.58 eV到2.24 eV的精確調控，并基于高質量、表面原子級平整、不同厚度的二維β-Bi2O3構建了高性能P型場效應晶體管器件。這一研究結果為更多“非層狀”材料（不限于金屬氧化物）的“晶體二維化、表面平整化”開發提供了新的方法，并推動了二維非層狀半導體材料在P型晶體管電子學領域的發展，具有廣泛的參考價值和應用前景。
研究亮點
1.實現二維非層狀β-Bi2O3可控合成：研究團隊開發了一種鹽-氧輔助化學氣相沉積（CVD）方法，利用低熔點的二維層狀中間產物（BiOCl）為橋梁，成功合成了高熔點的二維非層狀β-Bi2O3晶體，并實現了厚度在0.3-15 nm范圍內的精確調控。通過高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）對亞納米厚度的β-Bi2O3晶體進行表征，分析了其原子結構堆疊方式。結果表明，單胞厚度的原子結構可以通過兩個半單胞厚度的原子結構旋轉90°后堆疊而成，其間通過Bi-O共價鍵連接，呈現出ABA堆疊的周期性排列。
2.發現氣-液-固-固（VLSS）生長機制：通過XPS、EDS和HAADF-STEM等系統的表征手段，研究團隊揭示了從氣態原子/分子團簇到液滴，再到層狀BiOCl和最終非層狀β-Bi2O3的相變過程，并捕捉到了生長過程中晶體邊緣BiOCl向β-Bi2O3轉變的關鍵證據——相界處的4|5|6 Bi原子閉環結構。層狀BiOCl作為液相中間產物，限制了縱向的生長，對二維非層狀β-Bi2O3的形成起到了關鍵作用。這一結果證實了氣-液-固-固（VLSS）生長機制的存在。
3. 揭示二維β-Bi2O3空穴導電機理：結合β-Bi2O3的原子結構表征和第一性原理密度泛函理論（DFT）計算，研究團隊分析了不同厚度下的態密度（DOS）和分波態密度（PDOS），并通過電子局域函數（ELF）研究了晶胞內的-Bi-O-結構。結果表明，二維β-Bi2O3的P型導電性源于Bi 6s26p3軌道與O 2p4軌道在價帶頂M點的強烈亞軌道雜化作用，這種雜化為載流子傳輸提供了低有效質量路徑。
4. 構建高性能二維P型晶體管器件：基于制備出的厚度可控、帶隙可調、表面平整且高質量的二維β-Bi2O3晶體，研究團隊構建了2.4 nm厚度的二維β-Bi2O3 P型場效應晶體管（FET）。該器件在室溫下展現出136.6 cm2 V-1 s-1的空穴遷移率和高達1.2×108的開關比，其綜合性能位居二維P型非層狀材料晶體管的前列。這一成果為高性能P型二維半導體材料的研發提供了重要的參考依據。
圖文解讀
圖3. 二維非層狀β-Bi2O3的電子能帶結構與空穴導電機制
圖4. 二維非層狀β-Bi2O3的P型場效應晶體管性能
結論展望
本研究攻克了非層狀氧化鉍在二維尺度下的生長難題，通過鹽-氧輔助化學氣相沉積（CVD）技術，在SiO2/Si襯底上實現了厚度在0.3-15 nm范圍內的二維β-Bi2O3單晶的精準合成，揭示了一種獨特的氣-液-固-固（VLSS）生長機制，為非層狀材料的二維化和表面平整化開辟了新路徑。二維β-Bi2O3展現出卓越的P型電學性能，其場效應晶體管（FET）在室溫下實現了136.6 cm2 V-1 s-1的空穴遷移率和高達1.2×108的電流開關比，填補了高性能P型二維非層狀半導體領域的空白。此外，該材料還具備厚度依賴的帶隙可調性以及優異的空氣穩定性。未來的研究還需聚焦于進一步優化材料質量和器件性能，探索其在高性能互補電子器件中的應用，推動二維P型半導體材料的發展，為后摩爾時代電子學的進步提供關鍵材料支持。本研究發現的VLSS生長機制有別于傳統的氣-液-固（VLS）或氣-固-固（VSS）機制，為二維非層狀半導體材料的開發提供了寶貴的借鑒，有望促進這類材料在未來電子學、光電子學等領域的廣泛應用。
原文詳情：
Yunhai Xiong?, Duo Xu?, Yousheng Zou?, Lili Xu, Yujie Yan, Jianghua Wu, Chen Qian, Xiufeng Song, Kairui Qu, Tong Zhao, Jie Gao, Jialin Yang, Kai Zhang, Shengli Zhang, Peng Wang, Xiang Chen* and Haibo Zeng*, Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi2O3 crystals with high hole mobility, Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02141-w.
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02141-w
