从最新6篇Nature系列成果,看半导体异质结的“七十二变”!
纳米人 纳米人 2019-05-16

半导体的异质结是一种特殊的PN结,由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成,这些材料具有不同的能带隙,对半导体技术具有重大影响。

 

半导体异质结构的特性有以下几个方面:(1) 量子效应;(2) 迁移率变大;(3)奇异的二度空间特性;(4)人造材料工程学等等。得益于其在结构上面的特性,半导体的异质结可以应用于发光组件、激光二极管、异质结构双极晶体管、高速电子迁移率晶体管等组件中。

 

今天,我们要分享的是来自国际多个顶级研究团队关于异质结构最新的6篇重要研究进展,内容涉及电池、晶体管、催化、光伏发电以及磁性材料等,希望对相关研究人员有所启发。

 

1. 二维异质结面上的范德瓦尔斯相互作用研究丨Nature Nanotech.

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通过范德瓦尔斯(vdW)相互作用组装的二维异质结构在物理学、电子学等领域引起了科研人员的广泛关注。理解异质结面上的范德瓦尔斯相互作用对于二维异质结构的构建和操控是至关重要的。然而,以往的实验研究主要集中在石墨晶体的层间相互作用以及石墨烯与基质之间的相互作用。虽然多种vdW方法已经被引入密度泛函理论中,来研究均匀vdW晶体之间的相互作用,但这些方法在二维异质结构中的可靠性还有待验证。

 

有鉴于此,南京航空航天大学郭万林教授等人通过系列实验探究了石墨与六方氮化硼(BN)和二硫化钼(MoS2)的vdW相互作用的强弱,结果表明石墨与二硫化钼的vdW相互作用强于与氮化硼的vdW相互作用。研究发现,BN与石墨、MoS2与石墨之间的临界粘附力分别是石墨与石墨之间的0.953倍和1.028倍。实验结果与理论预测结果一致,说明材料的介电函数在异质结面的vdW相互作用中起着重要作用。


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Baowen Li, Jun Yin, Xiaofei Liu,Hongrong Wu, Jidong Li, Xuemei Li & Wanlin Guo*. Probing van der Waals interactionsat two-dimensional heterointerfaces. Nature Nanotechnology, 2019.

DOI: 10.1038/s41565-019-0405-2

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0405-2

 

2. 基于二维范德华异质结构的TFET丨Nature Electron.

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与传统晶体管相比,基于自旋而非充电的晶体管的自旋晶体管可能提供非易失性数据存储和改进的性能。目前,自旋晶体管的相关研究仍然是一个相当大的挑战。二维磁性绝缘体,例如三碘化铬(CrI3),其提供电可切换的磁性顺序和有效的自旋过滤效应,可以为自旋晶体管提供新的操作原理。

 

康奈尔大学Jie Shan 和 Kin Fai Mak课题组报道了基于双门控石墨烯/CrI3/石墨烯隧道结的自旋隧道场效应晶体管(TFET)。这些器件具有双极性能和隧道电导,这取决于CrI3隧道势垒中的磁性顺序。栅极电压在自旋翻转转变附近的恒定磁偏置下在层间反铁磁和铁磁状态之间切换隧道势垒,从而在具有大滞后的低电导状态和高电导状态之间有效且可逆地改变器件。通过电控制磁化配置而不是自旋电流,改自旋TFET实现了接近400%的高-低电导率(high–low conductance),这表明其在非易失性存储器应用的开发中具有价值。


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Jiang, S.; Li, L.; Wang, Z.; Shan,J.; Mak, K. F. Spin tunnel field-effect transistors based on two-dimensionalvan der Waals heterostructures. Nature Electronics, 2019.

DOI: 10.1038/s41928-019-0232-3.

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0232-3

 

3. 石墨烯-半导体异质结揭示了新兴的光伏发电丨Nature Photonics

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石墨烯在体半导体顶部的电子耦合和由此产生的界面能带重组在前表面下方仅产生一个光敏结。独特的是,这种结构导致表面非常靠近耗尽区,从而可以直接接入光敏结,这可以通过表面官能化和/或等离子体纳米颗粒的掺入来修饰。近日,伊利诺伊大学芝加哥分校Sanjay K. Behura和 Vikas Berry课题组总结了在这种石墨烯-3D半导体(主要是硅SI)光伏器件模型。本文特别提到所重点介绍的石墨烯-半导体硅Schottky结构模型是由我国清华大学朱宏伟教授课题组于2010年首次报道。这种基于石墨烯-半导体的异质结,可调谐载流子传输和相对增强的光学吸收将在2D光电子学、光伏学、光子学和纳米电子学领域中具有变革性影响。

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Behura, S. K.; Wang, C.; Wen, Y.;Berry, V. Graphene–semiconductor heterojunction shedslight on emerging photovoltaics. Nature Photonics, 2019.

DOI: 10.1038/s41566-019-0391-9.

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0391-9

 

4. 铁磁体/超导体异质结中发现磁振子-磁通量子相互作用丨Nature Phys.

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铁磁性与超导性是凝聚态物理中最基本的现象。由于具有相反的自旋序,两者具有重要的概念相似性:磁性材料中的磁序扰动能以自旋波(磁振子,magnon)的形式传播;而磁场以磁通量子(fluxon)晶格的形式穿透超导体。尽管大量的波动和量子现象已被预测,但磁振子-磁通量子耦合尚未被实验证实。德国法兰克福大学O. V. Dobrovolskiy等人的研究表明,在Py/Nb(铁磁体/超导体)双层异质结中,自旋波与磁通晶格存在相互作用。作者发现,在此系统中,磁振子频谱表现出类布洛赫能带结构,能通过偏置磁场调整。此外,在超导体中施加电流的情况下,移动磁通晶格散射的自旋波的频谱出现了多普勒频移。

 

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Dobrovolskiy O V, Sachser R,Brächer T, et al. Magnon–fluxoninteraction in a ferromagnet/superconductor heterostructure. Nature Physics,2019.

DOI: 10.1038/s41567-019-0428-5

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0428-5

 

5. MoSe2与钙钛矿的异质结构用于水分解丨Nature Commun.

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韩国蔚山国家科学技术研究所(UNIST)Hyesung Park、SangKyu Kwak与 Guntae Kim团队设计了一种复合钙钛矿氧化物-TMD异质结构,由MoSe2La0.5Sr0.5CoO3-δ(LSC)和科琴黑(KB)组成,用于整体水电解的双功能电催化剂。在LSC和MoSe2异质结构的形成过程中观察到MoSe2(从2H-到1T-MoSe2)的原位局部相变和更亲电的LSC,这是由于从Co到Mo发生的自发电子转移,使得Co离子得到部分氧化。这种电荷转移有望增强MoSe2固有电导率和增加LSC中Co-O和Co-OH的量,可以增强水分解催化活性。这些协同效应一起作用,使氢和氧析出反应的电化学活性显著提高。该异质结构在高电流密度100mA cm-2下1000 h内表现出优异的总水电解稳定性。


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Nam Khen Oh, Changmin Kim, JunghyunLee, Ohhun Kwon, Yunseong Choi, Gwan Yeong Jung, Hyeong Yong Lim, Sang KyuKwak, Guntae Kim, Hyesung Park. In-situ local phase-transitioned MoSe2in La0.5Sr0.5CoO3-δ heterostructure and stable overall water electrolysis over1000 hours. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09339-y

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09339-y

 

6. 三重导电钙钛矿-半导体异质结作为电解质用于燃料电池丨Nature Commun.

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目前人们对固体氧化物燃料电池低温操作的兴趣不断增长,钙钛矿相的最新进展已经为低温燃料电池(LT-SOFC)产生了有效的H+/O2-/e-三重导电电极BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ(BCFZY)。湖北大学Bin Zhu和Baoyuan Wang团队利用其高离子传导进一步开发BCFZY,通过将p型BCFZY与n型半导体ZnO结合,构建p-n异质结构来抑制其电子传导,然后将形成的均匀异质结构材料夹在两个Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2-δ(NCAL)电极之间,构建燃料电池组件。

 

研究者通过使用p-n异质结效应来抑制电子传导性和促进离子传导性,从而实现良好的电解质功能,为了对其进行解释,研究者提出了一种基于p-n异质结的能带对准机制。此外,进一步研究证实了BCFZY-ZnO的杂化H+/O2-导电能力。所开发的异质结构在400-500 ℃的低操作温度下表现出可观的离子电导率和燃料电池性能。该研究结果表明,三导电BZFCY可以通过p-n异质结效应,实现有吸引力的离子电导率和电池性能,是LT-SOFC有前途的电解质材料。


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Chen Xia, Youquan Mi, Baoyuan Wang,Bin Lin, Gang Chen, Bin Zhu. Shaping triple-conducting semiconductor BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ into an electrolyte for low-temperature solid oxide fuelcells. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09532-z

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09532-z

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