中大新聞網(wǎng)訊（通訊員孫勇）常規(guī)材料的磁阻比值較低，且在高磁場(chǎng)下趨于飽和（洛倫茲力作用），而具有非飽和線性磁阻的二維量子材料在磁傳感和存儲(chǔ)器件中具有重要的潛在應(yīng)用，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。隨著量子材料與技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)在石墨烯、狄拉克半金屬及拓?fù)浣^緣體中發(fā)現(xiàn)了非飽和線性磁阻現(xiàn)象。PL模型（經(jīng)典模型）和量子模型是解釋線性磁阻現(xiàn)象的兩大理論，前者將其歸因于遷移率以及載流子濃度的空間漲落，后者則認(rèn)為其來(lái)源于超量子極限，即當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)所有電子填充在最低朗道能級(jí)。
圖1 樣品均一性表征。（a） Bi2O2Te的刻蝕示意圖； （b） Bi2O2Te陣列; （c）拉曼光譜均勻性測(cè)試；（d）兩端器件陣列；（e-f）兩端器件IV曲線以及電阻分布。
近年來(lái)，二維材料的迅速發(fā)展推動(dòng)了線性磁阻的理論與實(shí)驗(yàn)研究。二維層狀非范德華鉍氧硫族化合物（Bi2O2X， X=Se, Te, S）由于其獨(dú)特的帶電層堆垛結(jié)構(gòu)和新奇的物理特性，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。自2017年北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Bi2O2Se以來(lái)，該材料迅速成為二維材料繼石墨烯、過(guò)渡金屬二硫化物之后的新焦點(diǎn)，并取得了一系列突破性進(jìn)展，如超靈敏寬帶光電探測(cè)器、原位高k柵極控制的高性能晶體管和高速憶阻器等，同時(shí)具備了大面積制備的技術(shù)基礎(chǔ)。理論預(yù)測(cè)，Bi2O2Se的同族化合物Bi2O2Te也具有一系列的優(yōu)異物理特性，但由于制備困難，相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道較少。2022年，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫勇副教授、王成新教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近一年的實(shí)驗(yàn)摸索，首次制備出高質(zhì)量的二維Bi2O2Te單晶結(jié)構(gòu)，觀測(cè)到各向異性磁阻效應(yīng)并驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)的本征鐵電性（ACS Nano 2022, 16, 19543），發(fā)展了空氣熱氧化原位生長(zhǎng)高k氧化層的工藝（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2213807）。目前，Bi2O2Te二維結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究仍處于起步階段，為推進(jìn)該材料在微電子及光電子領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，大面積、高品質(zhì)二維晶體薄膜的制備、更多可用物性挖掘和功能器件研究亟待推進(jìn)。
近期，孫勇副教授、王成新教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了不同厚度的大面積Bi2O2Te晶體薄膜的可控制備，結(jié)合微納加工以及濕化學(xué)刻蝕實(shí)現(xiàn)了薄膜樣品的圖案化（圖1a-b）。光譜及電學(xué)表征驗(yàn)證了樣品質(zhì)量的均一性（圖1c-f）。標(biāo)準(zhǔn)霍爾棒器件測(cè)試表明，低溫下展現(xiàn)超高電子遷移率（2 K下，～45074 cm2 V-1 s-1 ）、二維輸運(yùn)特征（圖2d-f）的大線性磁阻（~1345 %）及顯著的Shubnikov-de Hass quantum量子震蕩（圖2b-c）。系統(tǒng)的輸運(yùn)測(cè)試表明，其線性磁阻行為與遷移率漲落主導(dǎo)的經(jīng)典模型一致。相關(guān)結(jié)果驗(yàn)證了Bi2O2Te的規(guī)模化制備和集成化應(yīng)用的可行性。
圖2 輸運(yùn)行為測(cè)試。（a）Bi2O2Te Hall bar的變溫電阻；（b）低溫磁阻; （c）量子震蕩；（d）變角度磁阻；（e-f）磁阻/霍爾電阻角度依賴曲線。
相關(guān)研究成果以“Nonsaturating Linear Magnetoresistance Manifesting Two-Dimensional Transport in Wet-Chemical Patternable Bi2O2Te Thin Film”為題發(fā)表在ACS旗下期刊Nano Letters。材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)直博士生鄒曉彬?yàn)樵撜撐牡牡谝蛔髡撸醭尚陆淌凇O勇副教授為論文的共同通訊作者。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金的大力支持。
