近期，我校材料学院功能材料团队金敏教授和林思琪副教授在半导体材料研究方面取得系列重要进展，在国际刊物上发表多篇SCI期刊论文。
范德华滑移铁电半导体中的原子尺度极化翻转
为了实现高密度存储、延续摩尔定律，具有层状结构的二维滑移铁电材料是目前研究的热点。上海电机学院功能材料团队联合华东师范大学，利用布里奇曼发生长了高质量的钇掺杂的InSe层状材料，采用原子级别原位球差电镜技术开展了系统的二维滑移铁电极化翻转微观机制的研究，首次从原子尺度上观测到滑移铁电半导体γ-InSe中层间的定向滑移，以及该层间滑移所引起的极化翻转过程，并为研制低功耗存算一体芯片提供了切实可用的新型材料。该研究成果在线发表于Nature Communications, (2024) 15:3799 。
图1 范德华层状InSe铁电半导体中层间滑移动力学
硫硒碲三元固溶体制备及热电性能研究
热电技术作为一类清洁能源转换技术，能够在实现热能和电能之间进行直接转换。元素碲由于其简单的化学成分，被认为是潜在的热电材料候选者，但化学成分和输运性质上的调控自由度也受到限制。基于碲与IV族硒和硫元素的固溶度，本工作制备了具有原子无序特性的硫硒碲三元固溶体，不仅增强了异价元素Sb掺杂的效果，优化载流子浓度和弱电声耦合有助于提升电学功率因数，增强的声子散射也使室温下的晶格热导率降低了50%，在硫硒碲三元合金样品中成功实现了热电性能的优化。该研究成果在线发表于Vacuum, 226 (2024) 113269。
图2. 硫硒碲三元热电材料的结构及热电性能
Ag-Se合金成分设计及热电性能研究
热电Ag-Se银硒化物合金由于其高载流子迁移率和良好的热电性能而受到广泛关注。本研究中，利用相图窗口合成了Ag2Se1+x样品，范围为-0.02 ≤ x ≤ 0.03。研究发现，过量的硒有助于在室温下制造纯相的Ag2Se样品。结合优化的载流子浓度和降低的热导率，Ag2Se1.03样品在310-380 K温度范围内表现出平均热电性能zT ~0.72，并且维氏硬度相比化学计量的Ag2Se样品提高了25%，验证了化学计量比优化在增强Ag2Se材料热电和机械性能方面的有效性。该研究成果在线发表于Chemical Physics Letters, 840 (2024)141132。
图3 Ag2Se1+x合金的热电性能
In0.5Sn0.5Se晶体生长及热电性能研究
InSe是一种具有广泛潜在应用的层状结构半导体，表现出极其优异的延展性，但其热电性能因高热导率而受限。在本研究中，通过将高性能热电材料SnSe与InSe合金化，采用区域熔融法制备了In0.5Sn0.5Se晶体，相结构分析表明材料中共存有共晶InSe和SnSe相，并研究了共晶In0.5Sn0.5Se晶体的晶格结构和热电传输性能，为探索InSe热电性能潜力提供了实验支撑。研究成果在线发表于晶体领域权威期刊Crystal Research & Technology, (2024) doi 10.1002/crat.202400057。
图4 In0.5Sn0.5Se共晶结构设计及形貌
大尺寸InSe晶体生长技术创新
在InSe晶体材料生长技术工艺方面，由于铟和硒元素的熔点不一致以及InSe、In6Se7和In4Se3相之间的低共熔反应，大尺寸的InSe晶体的生产难度较大。在本研究中采用了区域熔融法制备InSe晶体，基于铟-硒体系的低共熔反应，精确使用非化学计量比的In0.52Se0.48溶液进行生长，导致InSe晶体产率约为83%，获得了尺寸为ϕ27 mm×130 mm的锭体，其中典型的片状InSe晶体尺寸为ϕ27 mm×50 mm，确立了制备大尺寸InSe晶体的有效方法，是应用于各种领域的关键技术支撑。研究成果在线发表于Journal of Inorganic Materials, 5 (2024) 554。
图5 区域熔融法制备的大尺寸InSe晶体
上海电机学院功能材料团队致力于解决半导体材料晶体制备及电热性能研究，以上相关研究工作得到了载人航天工程、国家自然科学基金、上海市教委、上海市科委和上海电机学院的支持。（供稿：材料学院）
