史俊傑課題組發現一種類石墨烯的新穎二維半導體Ca₃Sn₂S₇

石墨烯是材料科學領域的一顆迅速崛起的明星，開啟了二維材料的大門。作為納米光電子器件廣泛使用的理想電極材料，石墨烯除了具有優異的彈性和剛度外，還具有最高的載流子遷移率(10⁴-10⁵cm²V^-1s^-1)。然而，石墨烯作為一種典型的半金屬材料，它的零帶隙極大地限制了其在半導體工業的應用。自石墨烯被發現以來，它的零帶隙一直是世界範圍内最具挑戰性的難題之一。

多年來，人們一直緻力于解決這一關鍵問題，最主要的打開石墨烯帶隙方法可以概括為下面兩種。第一種是通過摻雜、吸附、襯底相互作用、外加電場、應變、建立二維異質結等方法直接打開石墨烯的帶隙。不幸的是，在打開石墨烯帶隙的同時，保持其具有超高載流子遷移率的線性電子色散的多種嘗試，至今仍未成功。第二種方法是開辟新的路徑，尋找新的具有超高載流子遷移率（線性色散）的二維材料，如二硫化钼、矽烯、鍺烯和磷烯等，它們構成了新的二維材料家族。遺憾的是，迄今還沒有發現任何具有類似石墨烯線性電子色散和超高載流子遷移率的二維半導體。

beat365官方网站史俊傑教授及其研究團隊注意到：鈣钛礦材料具有多樣的組成和結構，如ABX₃(具有三個不同原子位置的三維結構)、A'₂[A_n-1B_nX_3n+1] (二維Ruddlesden-Popper型結構)、A'[A_n-1B_nX_3n+1] (二維Dion-Jacobson型結構)、A'₂A_n-1B_nX_3n+3(二維111型結構)和A_nB_nX_3n+2(二維110型結構)等，為材料設計提供了一個理想和龐大的平台。此外，鈣钛礦結構中陽（陰）離子價态的劈裂和置換，陽（陰）離子的混合等，為組分工程提供了更多的可能性，從而極大地調節了所設計的鈣钛礦材料的電子結構（帶隙和電子色散）及物理、化學性質，為尋找具有新奇性質的材料開辟了一條新的道路。

最近，他們在硫化物鈣钛礦的研究中，意外發現了一種新奇的穩定且環境友好的二維鈣钛礦半導體Ca₃Sn₂S₇材料，它具有類似石墨烯的線性Dirac錐電子色散，直接的本征準粒子帶隙0.5 eV，超小載流子有效質量0.04m₀，室溫下載流子遷移率高達6.7×10⁴cm²V^-1s^-1，光吸收系數高達10⁵cm^-1（超越鈣钛礦光伏明星材料MAPbI₃）, 從一個全新的角度實現了打開石墨烯帶隙的夢想。該研究将會為二維鈣钛礦材料的設計和研發提供新的思路，并進一步促進半導體産業的發展。

該工作于2019年11月4日在線發表于學術期刊《Advanced materials》上，題為“2D Ca₃Sn₂S₇Chalcogenide Perovskite: A Graphene-Like Semiconductor with Direct Bandgap 0.5 eV and Ultrahigh Carrier Mobility 6.7╳10⁴cm²V^-1s^-1”(DOI: 10.1002/adma.201905643；https://doi.org/10.1002/adma.201905643)。beat365官方网站史俊傑教授是本文的通訊作者，史俊傑課題組的杜娟為該文的第一作者，beat365為唯一通訊作者單位。