巨介电Bi₂O₂Se单晶中的 “早熟”金属态

许卓锴、王嘉璐、王涛、胡旺华、杨小慧、林效  

西湖大学理学院，杭州 310024

Email: xuzhuokai@westlake.edu.cn

摘要：极高的室温迁移率(450cm².V^-1.s^-1)、卓越的光电性能、合适的带隙(0.8eV)以及高空气稳定性等特性使得Bi₂O₂Se成为极有前途的下一代半导体电子材料。但令人费解的是，Bi₂O₂Se在含极少量电子时依然呈现金属行为，背后的原因令人难以捉摸。

课题组团队首次合成了绝缘的Bi₂O₂Se单晶，并报道了不同载流子浓度Bi₂O₂Se单晶的输运和介电性质。电阻率与温度的依赖关系表明了从半导体到金属状态的逐渐演化，其发生金属-绝缘体转变(MIT)的临界浓度极低(n_c ~ 10¹⁶ cm⁻³)。此外发现绝缘样品的相对介电常数极大(ϵ_r ≈ 155)，结合其较轻的有效质量，可导出长有效波尔半径(a_B^∗ ≈ 36 nm)，根据Mott金属绝缘体转变判据，为过早出现的金属态提供了合理解释。同时由于巨介电常数，电离杂质散射中心受到较大屏蔽，推测Bi₂O₂Se极高的低温电子迁移率与此有关。这些发现也为理解二维Bi₂O₂Se器件中电子动力学机制提供了帮助。

图1 （a）不同浓度样品的电阻率温度依赖关系。（b）样品浓度与温度依赖关系。（c）绝缘Bi₂O₂Se单晶展现出巨大介电常数。（d）有效玻尔半径与MIT临界浓度关系符合Mott判据。

关键词： Bi₂O₂Se，金属绝缘体转变，“早熟”的金属态，巨介电常数，Mott判据

参考文献

【1】 Z. K. Xu, J. L. Wang, T. Wang, W. H. Hu, X. H. Yang, and X. Lin, Huge permittivity and premature metallicity in Bi2O2Se single crystals, Sci.China-Phys. Mech. Astron. 2021, 64, 267312

基金项目：国家自然科学基金项目（NO. 11904294）, 浙江省自然科学基金(No. LQ19A040005)。