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Nature Materials！南理工發表重要成果！

2025-03-17 10:58:27 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

近日，國際權威學術期刊《自然材料》（Nature Materials）在線發表了南京理工大學材料學院曾海波、陳翔教授領銜的科研團隊在新型二維P型半導體材料與高性能晶體管器件領域的最新研究進展。該研究題為“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi₂O₃ crystals with high hole mobility”。

研究團隊針對后摩爾時代亞10nm CMOS半導體技術節點亟需高性能、高可靠的二維P型半導體材料這一關鍵學術界、產業界核心挑戰，提出了“利用二維低熔點亞穩層狀材料輔助生長高熔點非層狀半導體材料”策略，借助鹽-氧輔助化學氣相沉積技術，實現了原子級平整、厚度及帶隙可調、高結晶質量的二維P型β-Bi₂O₃單晶的可控合成，發現了一種罕見的氣-液-固-固（VLSS）生長機制，實現了高遷移率、高可靠性的二維P型β-Bi₂O₃場效應晶體管器件，室溫空穴遷移率高達136.6cm²v^-1s^-1，電流開關比1.2×10⁸，綜合性能位居已報道二維P型晶體管的前列。

該研究為后摩爾時代高性能

低功耗CMOS器件的發展

提供了關鍵的材料支撐

標志著在該領域的重大突破

二維非層狀β-Bi₂O₃的氣-液-固-固（VLSS）生長機制

二維非層狀β-Bi₂O₃的P型場效應晶體管性能

材料學院博士后熊云海、碩士生許多和鄒友生教授為該論文共同第一作者。曾海波教授、陳翔教授為論文共同通訊作者，南京理工大學為論文第一完成單位也是唯一通訊單位。

研究團隊合影（左起：陳翔教授、熊云海博士、曾海波教授、張勝利教授）

該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和江蘇省自然科學基金等項目支持，并依托新型顯示材料與器件工信部重點實驗室等平臺開展。

同時，曾海波、陳翔教授受邀為《Nature Materials》雜志撰寫了題為“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），該Research Briefing和上述的研究工作同天上線。

被譽為“液相電子顯微鏡領域的先驅”的美國勞倫斯伯克利國家實驗室資深科學家Haimei Zheng教授點評道：“本工作報道了通過CVD方法，利用VLSS生長機制在SiO₂/Si襯底上成功制備二維單晶β-Bi₂O₃。系統的表征和測量為這種獨特的VLSS生長機制提供了令人信服的證據。我認為，這項工作將為廣泛的材料科學領域，尤其是近年來備受關注的二維材料合成與應用領域，提供寶貴的補充。”

《Nature Materials》編輯團隊也給予該工作高度評價：“在二維材料中，與N型半導體相比，P型半導體相對較少。本研究考察了非層狀晶體，并報道了二維β-Bi₂O₃的合成。研究表明，這種材料作為P型晶體管的溝道材料具有良好的性能和可靠性。此外，本研究還揭示了這種二維非層狀晶體形成過程中的獨特VLSS生長機制。這一成果不僅為二維非層狀材料的合成提供了新的思路，也為二維非層狀P型半導體在電子學器件中的應用奠定了基礎。”

在過去十年間

曾海波、張勝利教授等人

聚焦二維半導體材料的關鍵科學問題

勠力同心，持續攻關

還取得了一系列原創性科研成果

發展了基于“結構、組分與電子組態關聯”設計理念，成功預測了第VA主族銻烯，揭示了其二維電子結構從半金屬到半導體的轉變機制（Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112. 引用次數>1700次）；

針對載流子遷移率低、散射嚴重問題，發展了“能谷調控電-聲散射”的思路，高通量篩選并構建了包含100余種第五主族烯“等電子體衍生物”的二維P型高空穴遷移率半導體數據庫，其載流子遷移率可達104cm²v^-1s^-1（Angew. Chem. In. Ed. 2016, 55, 1666. 引用次數>1100次），為高性能二維電子器件的發展提供了新的材料體系。該系列成果被《Nature》在Research Highlights專欄亮點報道，并被國內外多篇論著評價為“首次”、“發起”了二維新體系。

實驗上首次驗證β相銻烯的范德華外延與電子結構轉變（Nat. Commun. 2016, 7, 13352. 引用>1000次）。基于長期對二維高空穴遷移率材料的研究，團隊提出了“軌道抑制散射→強作用力克服生長→相依賴輸運性能提升”的總體思想，相關研究成果“二維高空穴遷移率p軌道材料”，榮獲2023年中國材料研究學會科學技術獎一等獎。