中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-003）———低维半导体材料点缺陷特性

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工作简介

         ——低维半导体材料点缺陷特性

低维半导体材料具有独特的载流子输运性质及各向异性的结构特点，在光电子器件及催化领域具有重要的应用。近年来，以硒硫化锑为代表的低维半导体材料因其合适的带隙、稳定的化学性质等被认为是极具潜能的一种新兴太阳能电池材料。目前其光电转换效率已经突破10%，意味着该材料具有重要的开发价值。

点缺陷工程对于半导体材料性能的调控至关重要。一方面，点缺陷可以决定半导体材料的载流子浓度和导电类型；另一方面，点缺陷可导致陷阱辅助的Shockey-Read-Hall复合，而这种非辐射复合形式往往与光伏器件的开路电压损失密切相关。因此，深入了解点缺陷的特性和形成机制是实现高光电转换效率的关键。据此，中国科学技术大学陈涛教授课题组基于深能级瞬态谱技术（DLTS），对硫化锑（Sb₂S₃，图1(a), (b)）中的深能级缺陷特性进行了研究，揭示了Sb₂S₃中深能级缺陷特性与组分、结构的依赖关系。

其一，建立了点缺陷与化学计量比之间的联系。结果表明，富锑的薄膜具有三个电子陷阱，E1、E2和E3（分别对应Sb_i、V_S和Sb_S, 图1(c)），而富硫的薄膜则只观测到两个空穴陷阱，H1和H2（分别对应V_Sb和S_Sb, 图1(d)）。其能级与价带（导带）之间的相对位置如图2所示；表明硫化锑薄膜中的深能级缺陷具有明显的组分依赖性。作者在文中给出了详细的缺陷形成机制。

其二，揭示了低维半导体材料点缺陷的独特性。该研究发现缺陷 E1 (Sb_i) 对载流子寿命影响较小，表明(Sb₄S₆)_n带间隙对杂质原子具有一定的容忍性，这是准一维半导体材料的独特性质，该发现也提供了一种调控该类低维材料性能的独特方法。

该研究揭示了低维材料的缺陷特性，并为其在光电子器件、催化等领域的高效应用提供了性质调控方面的指导。这一研究工作于2021年5月31日发表在Nature Communications（2021, 12: 3260），第一作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生连伟涛，通讯作者是中国科学技术大学化学与材料科学学院陈涛教授。研究得到了科技部、国家自然科学基金委等的支持。

图1. (a, b)硫化锑的晶体结构示意图. (c) 富锑-硫化锑与(d)富硫-硫化锑的缺陷性质表征结果.

图2. (a)富锑-硫化锑与(b)富硫-硫化锑的缺陷能级及 (c)异质结示意图.

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作者简介

通讯作者

陈涛，

中国科学技术大学教授、博士生导师，国家创新人才计划青年项目入选者。

2010年毕业于新加坡南洋理工大学化学与生物化学系获博士学位， 2011-2015年在香港中文大学物理系任研究助理教授，2015年入选“国家创新人才计划青年项目”。从事太阳能电池材料及器件方面的研究工作，在材料制备方法、半导体缺陷研究、高效率器件制备等方向取得了一系列进展，研究成果在Nature Energy、Nature Commun、JoS等期刊发表论文110余篇，H-因子45，受邀撰写太阳能电池领域著作两章节。发展了水热沉积法制备硒硫化锑薄膜并将其应用到太阳能电池中，实现了该类太阳能电池光电转换效率10%的突破，相关结果被Emerging Inorganic Solar Cell Efficiency Table、AMOLF的S-Q Charts太阳能电池最高效率纪录表收录；受邀在Nature Research Device & Materials Engineering Community撰写“Behind the Paper”特别介绍，研究工作被Nature Energy news & views、Materials Views China、科技日报、人民网、China Daily等做亮点报道。近五年来主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委重点支持项目等；在本专业领域国际、国内学术会议做主旨报告、邀请报告30余次；担任《中国材料进展》、Nano Research等期刊编委。

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原文传递

详情请点击论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23592-0

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章来源“半导体学报”公众号

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