新型二维氧化物填补了材料光谱的空白

超薄β-碲酸盐提供了高迁移率的p型半导体，可用于制作快速，透明的电路

几十年来，研究人员一直在寻找一种基于半导体氧化物的新型电子产品，其光学透明性可以使这些完全透明的电子产品成为可能。

现在，由皇家墨尔本理工学院（RMIT）科学家领导的澳大利亚团队已将超薄β-碲石引入2D半导体材料家族，为这项长达数十年的高迁移率p型氧化物研究提供了答案。

团队负责人Torben Daeneke说：“这种新型的高迁移率p型氧化物填补了材料光谱中的关键空白，可以实现快速，透明的电路。”他领导了三个FLEET节点之间的合作。

FLEET连接了来自澳大利亚7个参与组织的20位首席调查员和来自18个国际组织的25位合作伙伴调查员。 FLEET团队与来自原子物理学，凝聚态物理，材料科学，电子，纳米制造和原子薄材料的著名研究人员进行跨学科研究。

长期以来人们所追求的基于氧化物的半导体的其他主要优点是它们在空气中的稳定性，对纯度的要求不严格，成本低且易于沉积。

Torben说：“在我们前进的过程中，缺失的环节是找到正确的'积极'方法。”

氧化物器件的一个障碍是，尽管已知许多高性能的n型氧化物，但仍然严重缺乏高质量的p型氧化物。

然而，在2018年的一项计算研究显示，β-TeO₂可能是一种有吸引力的p型氧化物候选物，碲在元素周期表中的特殊位置意味着它可以同时具有金属和非金属的性能，从而使其氧化物具有独特的有用特性。

FLEET副研究员Daeneke说：“这一预测鼓励我们在RMIT大学的研究小组探索它的特性和应用。”

液态金属-探索2D材料的途径

Daeneke的团队通过一种特别开发的合成技术，演示了β-TeO₂的分离，该合成技术依赖于液态金属化学。

共同第一作者Patjaree Aukarasereenont解释说：“制备了碲和硒的熔融混合物，并使其在表面上滚动。”

“由于环境空气中的氧气，熔融的液滴自然会形成β-碲酸盐的薄表面氧化物层。当液滴在表面上滚动时，该氧化物层会粘附在其表面，从而以原子方式沉积出薄的氧化物片。 ”

皇家墨尔本理工学院（RMIT）的FLEET博士生Aukarasereenont解释说：“这个过程类似于绘图：您使用玻璃棒作为笔，而液态金属就是您的墨水。”

尽管理想的亚碲酸盐的β相在低于300°C的温度下生长，但纯碲具有高于500°C的高熔点。因此，添加硒来设计具有较低熔点的合金，从而使合成成为可能。

“我们获得的超薄片只有1.5纳米厚-仅对应几个原子。该材料在可见光谱范围内是高度透明的，带隙为3.7 eV，这意味着它们在肉眼上基本上是不可见的。”合著者AliZavabeti解释道。

速度提高100倍

为了评估所开发材料的电子特性，我们制作了场效应晶体管（FET）。

“这些器件表现出典型的p型开关和高空穴迁移率（约140cm²v^-1s^-1），表明β-TeO₂比现有的p型氧化物半导体快10到100倍。优良的开关比（超过106）也证明了这种材料适合于省电、快速的设备。”Patjaree Aukarasereenont 说。

Zavabeti补充说：“这些发现弥合了电子材料库中的一个关键差距。” “我们拥有一个可以使用的快速，透明的p型半导体，有可能彻底改变透明电子产品，同时还可以实现更好的显示和提高能效的设备。”

研究小组计划进一步探索这种新型半导体的潜力。 Daeneke说：“我们对这种令人兴奋的材料的进一步研究将探索与现有和下一代消费电子产品的集成。”

来自皇家墨尔本理工学院（RMIT）、澳大利亚国立大学（ANU）和新南威尔士大学（UNSW）的FLEET研究人员与迪肯大学和墨尔本大学的同事进行了合作。 FLEET的Matthias Wurdack（ANU）进行了2D纳米片转移实验，而Kourosh Kalantar-zadeh（UNSW）协助进行了材料和器件特性分析。

Ali Zavabeti等人的《高迁移率p型半导体二维β-TeO2》； 2021年4月，Nature Electronics