“新型半导体深能级掺杂机制研究”项目荣获国家自然科学奖二等奖

半导体掺杂技术是现代半导体集成电路和光电器件的关键技术,目前特别是对深能级杂质态物理机制的了解还很不充分。本项目针对宽禁带半导体材料、二维半导体材料和纳米器件能带结构特点,系统地研究了几类重要的半导体材料与器件的掺杂机理和性能预测,发展出一种基于第一性原理大元胞的并行计算方法应用于半导体掺杂系统,指导第三代半导体材料的p型掺杂技术、异质结器件的结构设计,为提高TiO2基材料的光催化效率和自旋电子器件提供理论指导依据,对于新型二维半导体材料的掺杂机制与量子效应的研究和器件应用有重要的指导意义。项目取得的创新性成果有:

   1、由于TiO2是一种宽禁带半导体材料(Eg=3.2eV), 只能吸收太阳光谱中的紫外光部分,针对这一重要问题,提出利用钼碳共掺在TiO2材料的方法,能够在满足带隙要求、增强可见光波段吸收的同时,又消除了由单独掺杂所引入的载流子复合中心,提高了光生载流子的寿命,保证了材料的热稳定性。这项研究成果得到了国内外同行的高度关注,被《化学评论》等权威综述论文大篇幅引用,也被近期的实验所证实。单篇论文SCI他引360次。

   2、系统地研究了“d0-铁磁性”材料的物理机制,发现在氮化物或氧化物中掺入局域的受主杂质、或利用量子限制效应来束缚空穴态,可以增强这些材料中的磁性。为将来制备非磁性掺杂自旋电子器件提供了一种全新的思路。国内外同行评论认为这项成果是自旋电子学的重要进展,单篇论文SCI他引232次。

   3、系统研究了量子点和量子线等纳米器件中施主和受主杂质的掺杂特征和瓶颈效应。由于量子限制效应的作用,使得纳米系统中掺杂导致杂质的“自清洁效应”和电离能增大,从而降低器件的性能。针对这些重要的科学问题,提出解决纳米材料中掺杂瓶颈问题的方法,构筑物理模型解释长方形量子点空穴杂质态的量子斯塔克效应,对纳米器件的应用研究起到重要的推动作用,单篇论文SCI他引106次。

   4、在新型二维材料掺杂与新奇量子效应方面,预言了MoX2/WX2异质结构具有可调带隙及II类带阶等优越的光电特性,单篇论文SCI他引247次;研究了石墨炔的力学、光学性质和带隙调控;首次预测石墨炔掺钙可以获得高效的储氢材料;发现二维MoS2在双轴应变作用下直接带隙-间接带隙半导体和半导体-金属两个有趣的特性转变现象。这部分工作受到国际同行高度关注,成果对于二维材料掺杂、新奇物理性质的深入理解及器件应用都具有重要意义。

项目成果得到国内外同行的高度重视,被欧美等国家和地区的知名学者(包括诺贝尔奖获得者Geim和Novoselov、美国/欧洲科学院院士、英国皇家学会院士、美国物理学会会士等)广泛引用,8篇代表性论文 SCI他引1344次,其中5篇入选ESI高被引论文榜。获授权国家发明专利6项。部分工作被《自然》(亚洲材料)选为“亮点论文”,发表在《物理评论快报》的两篇论文入选“2009年中国最有影响的国际学术论文”。这些工作对半导体掺杂理论的发展,对于新一代纳米器件和第三代半导体器件的结构设计以及性能预测将起到重要的指导作用。