《自然》发表!物质学院于奕课题组与合作者在新型半导体材料异质结研究取得重大突破

ON2020-04-29CATEGORY科研进展

我校物质科学与技术学院于奕教授课题组与美国普渡大学研究团队合作,在新型半导体异质结研究中取得重要进展,首次成功制备并表征了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结。北京时间4月29 日晚,研究成果以“Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”为题,在国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)上在线发表。

半导体是信息时代的物质基础,而半导体异质结精准制备则是半导体器件的起点,是现代电子学和光电子学的重要基石。随着社会对信息产品性能要求的不断提升,半导体材料虽然经历了以硅为代表的单质半导体、以砷化镓等为代表的化合物半导体和以氮化镓等为代表的宽禁带半导体这三代半导体材料的快速发展,却始终不能满足人们对新型半导体材料的渴求。卤化物钙钛矿材料作为一类近年来引起广泛关注的新兴半导体,在太阳能电池、发光二极管、激光等领域展示出巨大的应用前景。同时,与传统的共价半导体不同,卤化物钙钛矿材料对缺陷的容忍度很高,因此在异质结的构建以及进一步器件的大规模集成方面具有得天独厚的优势。

在构建卤化物钙钛矿半导体异质结的道路上,有两个科学难题一直在国际上没有得到解决。一方面由于该材料易发生离子扩散,难以获得高质量的原子级平整的异质界面。另一方面,卤化物钙钛矿对空气、水分、电子束辐照等因素十分敏感,其微观结构解析、特别是原子结构成像困难重重。缺乏原子结构信息的指导,材料的精准构筑与性能设计难以开展。

我校于奕课题组与美国普渡大学研究团队通力合作,在这两个前沿难题的解决上取得了突破。通过在材料制备过程中引入刚性有机配体来抑制离子扩散,普渡大学团队成功制备了二维有机-无机杂化卤化物钙钛矿横向异质结。于奕课题组发展了低剂量像差校正电子显微技术,首次揭示了二维横向异质结的界面原子结构,直接有力地证实了普渡大学团队已成功获得了原子级平整界面。由于含有大量有机成分,这类有机-无机杂化的材料是卤化物钙钛矿体系中最辐照敏感的一种,给高分辨结构解析带来巨大挑战,尤其是二维有机-无机杂化卤化物钙钛矿的原子分辨率成像至今还从未被实现过。在针对辐照敏感材料的显微成像上,现今最有效的手段当属2017年诺贝尔化学奖授予的生物冷冻电镜技术。生物样品通常是对辐照最敏感的材料,但几纳米厚二维有机-无机卤化物钙钛矿材料由于其原子间结合力大幅度减弱,在电子显微观察过程中,变得比生物大分子还要脆弱,对于它们的原子尺度结构解析,是最先进的生物冷冻电镜技术和材料像差校正电镜技术都难以实现的。

于奕团队基于在像差校正电子显微学研究多年的经验与技术积累,进一步发展低剂量的像差校正电子显微技术,经过长时间的摸索与多次的尝试与改进,最终找到了一种优化的低剂量成像方法,首次实现了辐照敏感的二维横向异质结原子结构解析。这一突破提供的界面原子结构、缺陷构型以及晶格应变等的准确信息,为这类新型半导体异质结的微观结构设计提供了最为直观的指导。在这些研究发现基础上,整个研究团队进一步通力合作,成功展示了新型异质结原型器件中的整流效应,验证了这类新型半导体走向应用的前景。

异质结界面处的高分辨晶格像

新葡萄京娱乐场手机版物质科学与技术学院电镜中心(C?EM)经过几年的建设和运行,已经构建起了一套多元、开放的先进电子显微平台,于奕课题组2017级硕博连读研究生原彪正是在这样自由、创新的科研氛围下成长和钻研,与导师一起取得了研究课题的突破。电镜中心主任、知名电子显微专家Osamu Terasaki教授对该研究成果评价道:“新葡萄京娱乐场手机版是一所年轻而朝气蓬勃的大学,物质学院年轻教授于奕指导研究生原彪在二维卤化物钙钛矿横向外延异质结方面的研究中取得了瞩目的成果。电镜中心很高兴支持了这个具有挑战性和原创性的科研项目。我和C?EM团队共同祝贺优秀的年轻教授以及研究生同学取得的研究成果。”

在本研究中,美国普渡大学博士后Enzheng Shi(师恩政)和新葡萄京娱乐场手机版物质科学与技术学院2017级硕博连读研究生原彪为论文共同第一作者。普渡大学Letian Dou(窦乐添)教授、Brett Savoie教授和新葡萄京娱乐场手机版于奕教授为论文共同通讯作者。样品合成制备与分子动力学模拟计算由普渡大学团队完成,原子尺度显微结构研究由新葡萄京娱乐场手机版团队完成。此外,美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校研究团队也参与此项研究。该研究工作得到了新葡萄京娱乐场手机版研究启动基金、国家自然科学青年基金、新葡萄京娱乐场手机版物质学院电镜中心(C?EM)以及上海市科委自然科学基金的支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2219-7

于  奕

物质科学与技术学院助理教授、研究员、课题组长(PI)

主要研究方向为像差校正电子显微技术在微观结构分析中的应用。迄今在国际学术期刊发表论文60余篇,引用5000余次。部分重要成果以第一作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.等领域顶尖期刊发表。目前课题组包含博士后1名、博士生3名、硕士生4名,研究团队平均年龄不到30岁。课题组诚聘博士后、助理研究员。

原  彪

物质科学与技术学院2017级硕博连读研究生

科研是从已知探索未知的过程。考研时选择替换后,是被这里丰富的资源、优秀的老师以及良好的科研环境所吸引。记得自己刚入组,满怀憧憬地观摩师兄做电镜实验,也希望自己可以一路‘过关斩将’,学会操作各种电镜。可到实际操作时却有些胆怯了,生怕操作失误犯错。慢慢地,在导师和师兄的指导下,熟悉电镜之后变得‘大胆’起来,敢于去探索新的功能。最初拿到样品时,就发现这种材料对电子束尤为敏感,利用寻常的方法还未拍照时样品就早已被电子束损坏了,只能去摸索新方法,经过反复尝试才得以成功。过程虽然曲折艰难,但唯有秉持迎难而上的决心,敢于去想象、去探索,才有可能取得突破。感谢替换后提供一流的科研环境,课题组老师的悉心指导、同学们的关心鼓励以及电镜中心老师们的热心帮助。”

于奕课题组2019年合影

新葡萄京娱乐场手机版物质科学与技术学院(School of Physical Science and Technology)的核心使命是启发、教育和培养物质科学领域的创新人才,并成为具备国际竞争力的原创性科研机构。学院致力于建设和推进独特的学科交叉,设立了光子科学、凝聚态物理、材料和物理生物、大科学平台发展五大研究部,力争通过有辨识度的工作,解决目前在能源、环境、材料领域所面临的关键科学问题。同时,学院积极践行教学与科研并重的理念,以“国际化、高标准、强实践”为特色,探索独特的人才培养道路,成为新一代创新型、复合型人才的摇篮。

新葡萄京娱乐场手机版物质学院电镜中心Centre for High-resolution Electron Microscopy (C?EM),始建于2015年,旨在建立一个国际一流水平的电镜中心,成为集教学、科研等功能为一体的国际一流公共科学研究和技术开发平台,服务于尖端物质科学领域的科学研究。中心由海外知名电镜专家Osamu Terasaki教授担任主任,建立了一支独具特色的人才团队。迄今为止,平台目前配备多台透射电镜、扫描电镜、多样化的样品制备系统,包括世界领先水平的定制球差矫正透射电镜2台。电镜中心的仪器设备不仅已经开放使用,还承担了本科生和研究生相关实验课程等教学任务。自成立以来,中心支持诸多课题组在Nature、Nature Materials、Science、 Nature Chem.、 PNAS、 J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Angew. Chem.、Adv. Fun. Mater.、Energy & Environmental Chem.、 Chem.Mat.、 IUCrJ、 ChemCatChem、Chem. Sci.、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.、Mater. Sci. Eng. C等国际知名学术期刊上发表了多篇论文。