近日，南京理工大学材料学院曾海波、陈翔教授团队在后摩尔时代芯片关键沟道材料研究领域取得重大突破，成功开发出高性能二维P型半导体材料β-Bi2O3。相关成果以“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi2O3 crystals with high hole mobility”为题，2025年3月7日18:00时发表于国际顶级期刊《Nature Materials》（影响因子37.2）。材料学院博士后熊云海、硕士生许多、邹友生教授为共同第一作者，陈翔教授、曾海波教授为共同通讯作者，南京理工大学为第一完成单位及唯一通讯单位。
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02141-w.
随着硅基晶体管尺寸的持续微缩，摩尔定律正逼近其物理极限。传统硅基半导体技术所面临的“短沟道效应”和“功耗激增”等瓶颈问题愈发严峻。在后硅时代，探索新型材料与架构成为关键，例如新型半导体材料（硅锗、碳纳米管、二维材料等）以及新的芯片架构（三维集成、异构集成等）。其中，二维半导体凭借其原子级厚度、高载流子迁移率和强栅极调控能力，已成为延续摩尔定律的最理想候选材料之一，受到学术界、产业界及国际器件与系统路线图（IRDS）的高度关注。然而，由于界面电荷杂质和内部结构缺陷导致的强电子掺杂效应，当前二维半导体仍面临“N型多而强，P型少且弱”的瓶颈。二维P型半导体作为CMOS芯片基础单元的关键组成部分，其高性能、高可靠性的开发对于突破亚10 nm晶体管技术节点至关重要，对未来电子学的发展具有深远意义。
面对上述挑战，曾海波、陈翔教授团队将研究聚焦于目前已知的108,423种预测块体结构中占比约95 %的“非层状”晶体材料——这一材料科学领域待挖掘的“金矿”。这些非层状材料在二维尺度下蕴含着丰富的新结构、新物性与新电子学现象，其探索过程充满未知与挑战。然而，由于其本征的三维非范德华原子间强作用力，极大地限制了材料科学研究者们对其二维生长合成及晶体管电子学应用领域的充分探索。如何实现非层状材料的二维表面平整化、厚度调控、晶相控制、高质量单晶以及与现有硅基工艺的兼容性，都是亟待解决的问题。
鉴于此，团队针对二维非层状材料的各向异性生长和空穴迁移率提升的挑战，采用盐-氧辅助化学气相沉积（CVD）方法，结合独特的气-液-固-固（VLSS）生长机制，在SiO2/Si衬底上成功制备出原子级薄（<1 nm）、高质量的非层状二维β-Bi2O3晶体。该策略基于低熔点、层状、亚稳态BiOCl向高熔点、非层状、稳态β-Bi2O3的转变，突破了非层状金属氧化物在二维高质量、超薄、原子级表面平整以及优异P型晶体管性能方面的瓶颈。基于此，团队实现了室温下空穴迁移率136.6 cm2V-1s-1、电流开关比1.2 × 108的二维P型β-Bi2O3场效应晶体管，其性能为迄今报道的二维非层状半导体中最佳的P型晶体管性能。此外，研究揭示该材料的P型特性源于Bi 6s26p3轨道与O 2p4轨道在M点价带顶处的强亚轨道杂化作用。这一原创性工作不仅为开发丰富的二维非层状材料“金矿”提供了重要参考，更使二维β-Bi2O3成为未来电子学领域极具潜力的候选材料。
此外，陈翔、曾海波教授受邀为《Nature Materials》杂志撰写了题为“A non-layered two-dimensional semiconductor for p-type transistors” 的Research Briefing文章（Nature Materials (2025), https://doi.org/10.1038/s41563-025-02165-2），该Research Briefing和Nature Materials研究工作同天上线。被誉为“液相电子显微镜领域的先驱”的美国劳伦斯伯克利国家实验室资深科学家Haimei Zheng教授（加州大学伯克利分校材料科学与工程系兼职教授）对该Nature Materials工作点评：“本工作报道了通过CVD方法，利用VLSS生长机制在SiO2/Si衬底上成功制备二维单晶β-Bi2O3。系统的表征和测量为这种独特的VLSS生长机制提供了令人信服的证据。我认为，这项工作将为广泛的材料科学领域，尤其是近年来备受关注的二维材料合成与应用领域，提供宝贵的补充。”《Nature Materials》编辑团队也给予该工作高度评价：“在二维材料中，与N型半导体相比，P型半导体相对较少。本研究考察了非层状晶体，并报道了二维β-Bi2O3的合成。研究表明，这种材料作为P型晶体管的沟道材料具有良好的性能和可靠性。此外，本研究还揭示了这种二维非层状晶体形成过程中的独特VLSS生长机制。”这一成果不仅为二维非层状材料的合成提供了新的思路，也为非层状P型半导体在电子学器件中的应用奠定了基础。
本工作创新点：
1.研究了二维β-Bi2O3原子结构堆叠演变规律
研究团队开发了一种二维非层状β-Bi2O3晶体的可控合成方法，即盐-氧辅助化学气相沉积（CVD）策略。通过该方法，团队成功在SiO2/Si衬底上实现了厚度在0.3 - 15 nm范围内的二维非层状β-Bi2O3的可控制备。进一步采用湿法转移技术，将二维亚纳米厚度的β-Bi2O3单晶纳米片转移至铜网栅上，并利用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对其原子结构堆叠方式进行表征分析。结果表明，单胞厚度的原子结构可通过两个半单胞厚度的原子结构旋转90°后堆叠而成，其间通过Bi-O共价键连接，形成ABA堆叠的周期性排列。这一发现为理解二维非层状材料的原子结构提供了重要的微观基础。
2.发现了独特的气-液-固-固（VLSS）生长机制
在二维β-Bi2O3晶体的形核与生长过程中，团队观察到晶体呈六边形生长，并被液滴包围，其结构成分从边缘到中心依次为液相/BiOCl/β-Bi2O3。通过HAADF-STEM表征，团队捕捉到从BiOCl向β-Bi2O3转变的关键证据——相界处的4|5|6 Bi原子闭环结构。层状BiOCl作为液相中间产物，限制了垂直生长，并在二维非层状β-Bi2O3的形成中发挥了关键作用。这一现象证实了一种独特的气-液-固-固（VLSS）生长机制的存在。与传统的气-液-固（VLS）和气-固-固（VSS）机制相比，VLSS机制具有显著差异：
（1）在VLS机制中，一维纳米结构通过过饱和催化液滴的沉淀形成，而在VSS机制中，一维纳米结构通过异质纳米颗粒的催化作用形成。相比之下，VLSS机制通过首先沉淀低熔点的二维层状纳米结构实现，利用液滴作为种子，以亚稳态的二维层状纳米结构为中间态，最终转变为稳定的二维非层状结构。
（2）在VLS和VLSS机制中，盐（如NaCl）的作用有所不同。在VLS机制中，钠的作用比氯更为显著，而在VLSS机制中，NaCl的存在可以降低熔点，Bi-O-Na-Cl液滴作为氧氯化物（BiOxCly）的来源，最终导致二维β-Bi2O3的形成。氧气在这一过程中也发挥着至关重要的作用，仅使用NaCl是不足以形成二维β-Bi2O3的。因此，氯和氧在形成二维β-Bi2O3以及实现VLSS机制中都不可或缺。这一发现为二维非层状晶体的合成提供了一种切实可行的方法。
3.揭示了二维β-Bi2O3空穴导电机制的揭示
基于厚度可控、表面平整且高质量的二维β-Bi2O3晶体，团队对不同厚度的“非层状”二维β-Bi2O3单晶进行了系统的表征分析，涵盖拉曼光谱、偏振特性、吸收光谱以及二次谐波等物理特性。结合第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了其在不同厚度下的态密度（DOS）和分波态密度（PDOS），并通过电子局域函数（ELF）研究了晶胞内的-Bi-O-结构。结果表明，二维β-Bi2O3的P型导电特性源于Bi 6s26p3轨道与O 2p4轨道在价带顶M点处的强烈亚轨道杂化作用，这种杂化为载流子传输提供了低有效质量路径。
4.实现了高性能P型场效应晶体管
团队构建了厚度依赖的二维β-Bi2O3场效应晶体管（FET）器件，并通过对金属电极接触进行优化，成功消除了肖特基势垒的影响，实现了良好的欧姆接触行为。器件的电流-电压（Ids-Vds）曲线和转移曲线均展现出典型的P型导电行为。在2.4 nm厚度二维β-Bi2O3晶体管器件中，室温下空穴迁移率高达136.6 cm2 V-1 s-1，电流开关比达到1.2 × 108，显示出优异的FET器件性能。与已报道的二维P型金属氧化物及二维P型半导体FET性能相比，该器件的综合性能处于当前二维P型半导体FET的前沿水平。
图1、二维非层状β-Bi2O3的原子结构表征
图2、二维非层状β-Bi2O3的气-液-固-固（VLSS）生长机制
图3、二维非层状β-Bi2O3的电子能带结构与空穴传导机制
图4、二维非层状β-Bi2O3的P型场效应晶体管性能
上述研究工作得到了国家重点研发计划（No. 2024YFB3612400）、国家自然科学基金委项目（NSFC，Nos. 52372152、92064007、62274089、U24A20286、52131304、62261160392）和江苏省自然科学基金项目（Nos. BZ2024038、BK20190476）等资金支持。
