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缺陷与掺杂对物性的调控

        半导体是现代最重要的材料, 在很多前沿研究领域中总能看到半导体的身影. 日常生活中, 人们使用的各种电子产品 (如手机、电脑、电视机等)的核心部件都是由半导体制作. 半导体技术也是目前我国“卡脖子”的关键难题之一, 其中最核心的问题是缺陷与掺杂. 众所周知, 本征半导体是无法实际应用的, 只有实现了可控掺杂后半导体才能制作实用器件. 因此, 半导体的缺陷与掺杂一直是科研领域的重要核心问题.

     缺陷与掺杂中蕴含着丰富的物理内容. 缺陷与掺杂的类型众多, 包括原子替代、间隙掺杂、螺旋位错、表面/界面缺陷和原子插层等. 这些缺陷与掺杂往往具有不同的物理特性, 并且对半导体的电学性质、光学性质、力学性质、热学性质、磁学性质等方方面面都有广泛的影响. 通过改变缺陷与掺杂可以实现对材料性能的有效调控, 因此, 缺陷与掺杂的研究在光伏、光催化、光电、热电、微电子等领域占据着重要地位. 半导体的缺陷与掺杂虽然是一个传统的研究方向, 但一直活跃在科研前沿.以往相关研究主要集中在其体相的静态性质, 随着研究的深入, 人们也逐渐从静态研究过渡到对其动力学以及非平衡态的研究, 从体相研究扩展到表面、界面、晶粒间界的研究. 近年来, 除了传统半导体材料, 各种新型材料如二维半导体、有机-无机杂化半导体等层出不穷. 在这些新型半导体材料中, 缺陷与掺杂往往表现出与传统半导体中不同的行为, 研究这些新材料中的缺陷与掺杂可能揭示新奇的物理现象和物理机制. 这些研究又进一步促进了人们对功能材料的物性调控, 因此十分有必要向读者介绍该领域中的前沿研究进展.

   受《物理学报》编辑部委托, 我邀请了国内若干位活跃于缺陷与掺杂前沿研究的中青年学者撰文, 对近年来半导体中缺陷与掺杂的部分热点进行深入的介绍, 遂合成了本期专题. 这其中既包括对该领域已取得的部分成果以及科研进展的短篇综述, 也包括报道最新研究成果的研究论文. 从研究内容上看, 涵盖了缺陷与掺杂的静态以及动力学研究, 探讨了太阳能电池、界面热传导、光电器件、铁磁矿磁性能、金属容器高压储氢中缺陷与掺杂的物理性质以及调控作用等等. 受水平及时间所限, 本专题所反映的研究现状难免挂一漏万, 错失之处恳请各位同仁不吝指正. 希望本专题能对国内缺陷与掺杂研究的学术交流做一点贡献.

客座编辑:北京理工大学 马杰
物理学报. 2023, 72(22).
界面工程调控GaN基异质结界面热传导性能研究
王权杰, 邓宇戈, 王仁宗, 刘向军
2023, 72 (22): 226301. doi: 10.7498/aps.72.20230791
摘要 +
GaN以其宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点在高频大功率电子器件领域有着巨大的应用前景. 大功率GaN电子器件在工作时存在明显的自热效应, 产生大量焦耳热, 散热问题已成为制约其发展的瓶颈. 而GaN与衬底间的界面热导是影响GaN电子器件热管理全链条上的关键环节. 本文首先讨论各种GaN界面缺陷及其对界面热导的影响; 然后介绍常见的界面热导研究方法, 包括理论分析和实验测量; 接着结合具体案例介绍近些年发展的GaN界面热导优化方法, 包括常见的化学键结合界面类型及范德瓦耳斯键结合的弱耦合界面; 最后总结全文, 为GaN器件结构设计提供有价值参考.
MoS2中S原子空位形成的非绝热动力学研究
王月, 马杰
2023, 72 (22): 226101. doi: 10.7498/aps.72.20230787
摘要 +
缺陷是半导体领域中最核心的问题. 采用含时密度泛函方法, 模拟了S原子脱离MoS2晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为, 发现该过程中存在显著的非绝热效应. 非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷. 随着S原子的初始动能增大, 其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大, 并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长. 这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的. 非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布, 以及晶格中缺陷附近的电荷分布. 此外, 还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要, 必须被考虑. 本文阐明了MoS2中S原子空位的形成机制, 尤其是电子非绝热动力学的重要作用, 为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础.
利用Li+插层调控WS2光电器件响应性能研究
宋雨心, 李玉琦, 王凌寒, 张晓兰, 王冲, 王钦生
2023, 72 (22): 226801. doi: 10.7498/aps.72.20231000
摘要 +
过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质, 在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景, 是一类被持续关注的代表性二维层状材料. 在材料应用过程中, 对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能. 因而, 对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义. 电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段. 本文以WS2为例, 采用电化学离子插层方法对厚层WS2的掺杂特性进行优化, 观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍), 以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控. 本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS2器件光电响应的可逆可循环调节, 为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.