科学家首次制备新型半导体异质结材料

仙仙

上海科技大学物质科学与技术学院教授于奕课题组与美国普渡大学研究团队合作，在新型半导体异质结研究中取得重要进展，首次成功制备并表征了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结。相关研究成果日前在线发表于《自然》。


半导体异质结精准制备是半导体器件的起点，是现代电子学和光电子学的重要基石。卤化物钙钛矿材料作为一类近年来引起广泛关注的新兴半导体，在太阳能电池、发光二极管、激光等领域展示出巨大的应用前景。


在构建卤化物钙钛矿半导体异质结的道路上，有两个科学难题一直未得到解决。一方面，该材料易发生离子扩散，难以获得高质量的原子级平整的异质界面；另一方面，卤化物钙钛矿对空气、水分、电子束辐照等因素十分敏感，其微观结构解析特别是原子结构成像困难重重。缺乏原子结构信息的指导，材料的精准构筑与性能设计难以开展。


于奕课题组与合作团队在这两个前沿难题的解决上取得了突破。研究人员在材料制备过程中引入刚性有机配体来抑制离子扩散，成功制备了二维有机——无机杂化卤化物钙钛矿横向异质结；发展了低剂量像差校正电子显微技术，首次揭示了二维横向异质结的界面原子结构，直接证实获得了原子级平整界面。


同时，于奕团队找到了一种优化的低剂量成像方法，首次实现了辐照敏感的二维横向异质结原子结构解析。这一突破提供了界面原子结构、缺陷构型以及晶格应变等准确信息，为这类新型半导体异质结的微观结构设计提供了直观的指导。在这些研究发现的基础上，研究团队进一步合作，展示了新型异质结原型器件中的整流效应，验证了这类新型半导体走向应用的前景。