南开吴金雄团队JACS：可控合成可转移的超薄Bi2Ge(Si)O5合金，成分和介电性能高度可调！

第一作者：Jiabiao Chen

通讯作者：吴金雄

通讯单位：南开大学

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本研究通过化学气相沉积（CVD）方法成功合成了可转移的超薄Bi₂Ge(Si)O₅介电合金，其组成可通过改变GeO₂/SiO₂前驱体的相对比例在x的全范围内调节。

这些合金的介电性能高度可调，显示出超过40的介电常数，是CVD生长的2D绝缘体中记录最高的。Bi₂GeO₅和Bi₂Ge(Si)O₅的垂直生长特性使得无聚合物转移和随后的干净范德华集成成为可能，作为高κ封装层以提高2D半导体的迁移率。

此外，使用Bi₂Ge(Si)O₅合金作为栅介质的MoS₂晶体管表现出>10⁸的Ion/Ioff ，理想的亚阈值摆幅约为61 mV/dec，以及小的栅压迟滞(~5 mV)。该工作不仅为控制CVD生长绝缘介电合金提供了极少数的例子，而且还扩展了2D单晶高κ介电家族。

图文导读

图1 CVD生长和表征超薄Bi₂GeO₅单晶。

图2 可控合成和表征具有可调组成的超薄Bi₂Si_xGe_1−xO₅合金。

图3 原始和Si合金化的Bi₂GeO₅ 2D晶体的介电性能。

图4 垂直生长的Bi₂GeO₅纳米片作为高κvdW封装层以提高少层MoS₂的迁移率。

图5 基于Bi₂Si_xGe_1−xO₅ (x = 0.278) 介电合金的无迟滞MoS₂ FET。

总结展望

本研究成功实现了通过CVD方法控制合成具有可调组成的2D单晶介电合金，并通过调节GeO₂和SiO₂前驱体的比例，实现了Bi₂Si_xGe_1−xO₅ 合金的组成在x = 0到x = 1的全范围内的连续调节。

这些合金展现出了高介电常数和可调节的击穿场强，使其成为制造高性能2D半导体器件的理想材料。特别是，Bi₂GeO₅和Bi₂Ge(Si)O₅纳米片作为高κ封装层，显著提高了MoS₂晶体管的迁移率，并实现了无迟滞的场效应晶体管。

这些发现不仅为2D电子器件的制造提供了新的材料选择，也为探索新型物理现象提供了可能。

文献信息

标题：Controllable Synthesis of Transferable Ultrathin Bi2Ge(Si)O5 Dielectric Alloys with Composition-Tunable High-κ Properties

期刊：J. Am. Chem. Soc.