1 工作简介

         ——气-液-固-固（VLSS）生长高迁移率二维P型非层状β-Bi2O3单晶

当硅基晶体管沟道微缩至10 nm以下，摩尔定律逼近物理极限，“短沟道效应”与“功耗墙”双重夹击令传统CMOS工艺步履维艰。原子级厚度的二维N/P型半导体因迁移率高、带隙可调、栅控强，被视为后摩尔时代的核心候选。然而，晶格缺陷诱导的自发电子掺杂使二维体系陷入“N多P少、N强P弱”的结构性失衡，高性能P型材料的稀缺直接卡住了亚10 nm节点CMOS的全二维化咽喉。更令人瞩目的是，理论数据库中约95%的108423种三维晶体属于非层状构型，其丰富的结构与物性尚未被挖掘，是一座等待开启的材料“金矿”。因此，开辟二维非层状P型半导体新体系，既是破解“P型瓶颈”的关键一环，也是延续半导体技术生命线的战略制高点。

然而，聚焦非层状金属氧化物二维P型半导体及MOSFET，五大挑战横亘在前：① 高熔点抑制表面扩散，沉积速率低，晶体沿一维择优生长，难以横向铺展成均匀薄膜；② 原子级三维起伏与高密度悬挂键引入额外散射中心，空穴迁移率骤减；③ 多晶相共存导致热力学稳定性差，工艺窗口狭窄；④ O-2p局域轨道形成深能级受主，空穴电离概率低，且重掺杂易触发补偿缺陷，P型掺杂效率受限；⑤ 二维P型半导体与金属接触时肖特基势垒高企，传统沉积工艺易致界面损伤与费米能级钉扎，漏电流激增。这些因素相互耦合，使非层状金属氧化物在二维极限下的可控生长与高性能P型器件应用举步维艰。

为应对后摩尔时代亚10 nm CMOS技术节点对高性能、高可靠性二维P型半导体材料的迫切需求，南京理工大学陈翔教授、曾海波教授团队提出了一项创新策略——“以二维低熔点亚稳层状材料为媒介，辅助生长高熔点非层状半导体”。借助盐-氧辅助化学气相沉积技术，团队首次实现了原子级厚度（<1 nm）、原子级平整度（Ra~0.17 nm）、带隙可调且结晶质量优异的二维P型β-Bi2O3单晶的可控合成。研究揭示了一种罕见的气-液-固-固（VLSS）生长机制：低熔点的二维层状中间相BiOCl作为“结构桥梁”，诱导高熔点的非层状金属氧化物β-Bi2O3在二维极限下成核与外延生长。基于该机制制备的β-Bi2O3场效应晶体管展现出迄今二维非层状半导体中最优异的P型性能：室温空穴迁移率高达136.6 cm²/(V·s)（80 K下进一步提升至400 cm²/(V·s)），电流开关比达1.2×10⁸。第一性原理计算表明，其P型导电特性源于Bi 6s²6p³与O 2p⁴轨道在M点价带顶处的强亚轨道杂化，为价带空穴的有效输运提供了保障。这一原创性成果不仅突破了非层状氧化物在二维极限下难以可控生长的瓶颈，为后摩尔时代高性能、低功耗CMOS器件提供了关键材料支撑，更以VLSS机制为范式，开辟了非层状二维半导体材料体系的新赛道，有望加速更多高性能非层状二维半导体的发现与器件应用，为未来半导体技术的持续创新注入新动能。

图1. 二维P型非层状β-Bi2O3晶体的VLSS生长机制及晶体管性能。

相关研究成果以“Vapour–liquid–solid–solid growth of two-dimensional non-layered β-Bi2O3 crystals with high hole mobility”为题，于2025年3月7日在线发表于《Nature Materials》（Nat. Mater. 2025, 24, 688–697）。熊云海、许多、邹友生为共同第一作者，陈翔教授、曾海波教授为共同通讯作者，南京理工大学为论文第一完成单位及唯一通讯单位。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会及江苏省自然科学基金等项目的资助，并在新型显示材料与器件工业和信息化部重点实验室等平台完成。同时，陈翔教授、曾海波教授受邀为《Nature Materials》撰写了题为“A non-layered two-dimensional semiconductor for p-type transistors”的Research Briefing文章（Nat. Mater., 2025, 24, 671–672），该研究简报和上述研究工作同天上线。

2 主要作者简介

第一作者

熊云海，2024年于南京理工大学材料科学与工程学院取得工学博士学位，现为南京理工大学在站博士后，师从陈翔教授、曾海波教授。

聚焦二维P型半导体与非层状材料的晶圆级单晶薄膜可控生长，系统开展化学气相沉积（CVD）技术创新及高速、低功耗场效应晶体管器件研究。以第一/共一/通讯作者在Nat. Mater.、Adv. Mater.、InfoMat等期刊发表SCI论文多篇，申请中国发明专利7项（已授权2项），成果获Nat. Rev. Mater.、Nat. Mater.等权威科学媒体专题报道。主持国家自然科学基金青年（C类）、江苏省自然科学青年基金、第77批博士后面上基金等4项；先后入选2025年度“国家资助博士后研究人员计划”与“江苏省卓越博士后计划（A类）”。作为骨干参与国家级重点/重大研究计划、面上项目及省部级项目共4项。

第一作者

许多，南京理工大学硕士（师从陈翔教授，2019-2022），韩国延世大学博士生（师从Prof. Jong-Hyun Ahn院士，2022-至今）。

主要从事新型二维半导体的电学性能研究和基于二维半导体的柔性可植入式生物电子器件，尤其是神经界面器件的开发研究工作。近年来以第一/共一作者在Nat. Mater.（2篇）、 Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、InfoMat等国际顶级期刊发表系列论文。

第一作者

邹友生，南京理工大学教授、博士生导师。

主要从事光探测材料与器件、发光材料与发光器件（钙钛矿量子点、环保型多元硫族量子点）研究，实现了钙钛矿多光谱探测/偏振探测及成像应用；发展了配体钝化、结构缺陷补偿等策略，实现了环保型多元硫化物量子点发光效率及色纯度的提升。以第一/共一/通讯作者在Nat. Mater.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等期刊上发表论文150余篇，SCI引用5800余次，获授权中国发明专利27件。获江苏省科学技术奖三等奖1项、国家教学成果奖二等奖1项、江苏省教学成果奖一等奖1项，主编出版教材3部。

通讯作者

陈翔，南京理工大学教授、博士生导师，入选南理工“青年拔尖人才选聘计划”、山东省“重点扶持区域引进急需紧缺人才（重点）”和江苏省“双创人才”。

主要从事新型二维半导体材料的可控合成及在电子学器件中的应用。主持国家自然科学基金委重大研究计划、面上、江苏省国合项目等8项，累计科研经费530万元。以第一/通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文50余篇，总引用近4000次，H因子30；申请中、美、韩国发明专利近30项，授权18项；参与编写专著2本；荣获中国材料研究学会科学技术奖一等奖（2023）。现为江苏省材料学会副秘书长、国际信息显示学会（SID）北京分会技术委员会委员、National Science Open（NSO）材料科学青年编委，Nat. Nanotechnol.、Nat. Electron.、Adv. Mater.等期刊审稿人。

通讯作者

曾海波，南京理工大学教授、博士生导师、材料学院院长，国家杰出青年基金获得者，国家高层次领军人才，国家“重点研发计划”首席科学家，英国皇家化学会会士，美国光学会会士。

长期从事半导体量子点显示发光与驱动研究，创建了工信部新型显示材料与器件重点实验室、江苏省量子点显示工程研究中心、中国颗粒学会发光颗粒专委会，主持了国家重点研发计划项目、国家973计划课题、国家自然科学基金杰青/优青/重点等科研项目30余项，发表Nat. Mater.、Nat. Photon.、Nat. Electron.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Sci. Adv.等期刊论文300余篇，他引6万余次，单篇超过1000次12篇，最高3000余次，H因子115，连续9年入选全球高被引科学家。获授权发明专利45项、PCT专利3项、国家标准2项，成果转化形成“惟怡-量子点（VEQD）”等系列新型显示产品，孵化国家级“高新技术企业”1个。主持江苏省高等教育教改重点项目2项，主讲国家一流课程《光电子材料与器件》，指导学生与博士后入选国家级青年人才8人、江苏省优秀博士论文3人、全国“挑战杯”与“互联网+”特等奖/金奖/一等奖8项。以第一完成人获国家级教学成果二等奖1项、省部级科技一等奖3项。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02141-w