Nature Materials！南理工发表重要成果！

2025-03-17 10:58:27 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

近日，国际权威学术期刊《自然材料》（Nature Materials）在线发表了南京理工大学材料学院曾海波、陈翔教授领衔的科研团队在新型二维P型半导体材料与高性能晶体管器件领域的最新研究进展。该研究题为“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi₂O₃ crystals with high hole mobility”。

研究团队针对后摩尔时代亚10nm CMOS半导体技术节点亟需高性能、高可靠的二维P型半导体材料这一关键学术界、产业界核心挑战，提出了“利用二维低熔点亚稳层状材料辅助生长高熔点非层状半导体材料”策略，借助盐-氧辅助化学气相沉积技术，实现了原子级平整、厚度及带隙可调、高结晶质量的二维P型β-Bi₂O₃单晶的可控合成，发现了一种罕见的气-液-固-固（VLSS）生长机制，实现了高迁移率、高可靠性的二维P型β-Bi₂O₃场效应晶体管器件，室温空穴迁移率高达136.6cm²v^-1s^-1，电流开关比1.2×10⁸，综合性能位居已报道二维P型晶体管的前列。

该研究为后摩尔时代高性能

低功耗CMOS器件的发展

提供了关键的材料支撑

标志着在该领域的重大突破

二维非层状β-Bi₂O₃的气-液-固-固（VLSS）生长机制

二维非层状β-Bi₂O₃的P型场效应晶体管性能

材料学院博士后熊云海、硕士生许多和邹友生教授为该论文共同第一作者。曾海波教授、陈翔教授为论文共同通讯作者，南京理工大学为论文第一完成单位也是唯一通讯单位。

研究团队合影（左起：陈翔教授、熊云海博士、曾海波教授、张胜利教授）

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和江苏省自然科学基金等项目支持，并依托新型显示材料与器件工信部重点实验室等平台开展。

同时，曾海波、陈翔教授受邀为《Nature Materials》杂志撰写了题为“A non-layered two-dimensional semiconductor for p-type transistors”的Research Briefing文章（Nature Materials, 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02165-2），该Research Briefing和上述的研究工作同天上线。

被誉为“液相电子显微镜领域的先驱”的美国劳伦斯伯克利国家实验室资深科学家Haimei Zheng教授点评道：“本工作报道了通过CVD方法，利用VLSS生长机制在SiO₂/Si衬底上成功制备二维单晶β-Bi₂O₃。系统的表征和测量为这种独特的VLSS生长机制提供了令人信服的证据。我认为，这项工作将为广泛的材料科学领域，尤其是近年来备受关注的二维材料合成与应用领域，提供宝贵的补充。”

《Nature Materials》编辑团队也给予该工作高度评价：“在二维材料中，与N型半导体相比，P型半导体相对较少。本研究考察了非层状晶体，并报道了二维β-Bi₂O₃的合成。研究表明，这种材料作为P型晶体管的沟道材料具有良好的性能和可靠性。此外，本研究还揭示了这种二维非层状晶体形成过程中的独特VLSS生长机制。这一成果不仅为二维非层状材料的合成提供了新的思路，也为二维非层状P型半导体在电子学器件中的应用奠定了基础。”

在过去十年间

曾海波、张胜利教授等人

聚焦二维半导体材料的关键科学问题

勠力同心，持续攻关

还取得了一系列原创性科研成果

发展了基于“结构、组分与电子组态关联”设计理念，成功预测了第VA主族锑烯，揭示了其二维电子结构从半金属到半导体的转变机制（Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112. 引用次数>1700次）；

针对载流子迁移率低、散射严重问题，发展了“能谷调控电-声散射”的思路，高通量筛选并构建了包含100余种第五主族烯“等电子体衍生物”的二维P型高空穴迁移率半导体数据库，其载流子迁移率可达104cm²v^-1s^-1（Angew. Chem. In. Ed. 2016, 55, 1666. 引用次数>1100次），为高性能二维电子器件的发展提供了新的材料体系。该系列成果被《Nature》在Research Highlights专栏亮点报道，并被国内外多篇论著评价为“首次”、“发起”了二维新体系。

实验上首次验证β相锑烯的范德华外延与电子结构转变（Nat. Commun. 2016, 7, 13352. 引用>1000次）。基于长期对二维高空穴迁移率材料的研究，团队提出了“轨道抑制散射→强作用力克服生长→相依赖输运性能提升”的总体思想，相关研究成果“二维高空穴迁移率p轨道材料”，荣获2023年中国材料研究学会科学技术奖一等奖。