原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 26 January 2022; 

online 3 March 2022

寻找具有超高载流子迁移率的新材料有助于解决半导体晶体管短沟道效应，对开发后摩尔时代纳电子器件和数字集成电路具有重要意义。本文通过薄膜外延技术在SrTiO₃衬底生长了简单立方结构的BaO薄膜，研究发现其界面电子迁移率高达69000 cm² (V·s)⁻¹（2K），有望成为下一代新原理晶体管的理想沟道材料。

由两个绝缘性氧化物LaAlO₃和SrTiO₃构成的异质界面展现出丰富的物理特性，例如超高载流子迁移率、界面磁性和超导性等，不断激发着凝聚态物理学家和材料物理学家的研究兴趣。通常认为，界面缺陷和晶格畸变会抑制界面电荷转移，使载流子迁移率难以被进一步提高。过去，研究人员进行了大量尝试，发现减小晶格失配度将有效减少晶格缺陷密度，可以大幅度提高迁移率。例如，利用Sr和Ta掺杂LaAlO₃可减小与SrTiO₃之间的晶格失配，该界面在2 K时的迁移率高达35000 cm² (V·s)⁻¹；与此同时，尖晶石型γ-Al₂O₃与SrTiO₃晶格失配度仅为1.2%，其界面处的电子迁移率达到了创纪录的140000 cm² (V·s)⁻¹。因此，寻找与氧化物半导体材料晶格匹配的新材料将有望进一步提高界面载流子迁移率，解决诸如晶体管短沟道效应等限制摩尔定律向前发展的瓶颈问题，带来微纳电子器件的技术变革，具有重要的基础科学意义和实际应用价值。

最近，中国科学院物理研究所的陈小龙、郭建刚、郭尔佳等带领研究团队利用脉冲激光沉积技术制备了新型氧化物BaO/SrTiO₃异质结，并系统测量了其低温磁电输运特性。研究表明，BaO单胞相对于SrTiO₃晶胞在面内旋转了45o。两者之间的晶格失配度仅为0.31%。该异质结在测量温度区间表现出典型的金属特性：在2 K时，其界面载流子迁移率达到69000 cm² (V·s)^-1；在300 K时，界面载流子迁移率为121 cm² (V·s)^-1，比大多数SrTiO₃基的二维电子气界面的载流子迁移率高出一个数量级。研究团队利用密度泛函理论计算了界面电子态，结果表明费米能级处的态密度主要来源于Ti-3d_xy轨道，揭示了界面电荷转移在高迁移率界面中的重要作用。

过去针对氧化物二维电子气的研究主要集中在3d/4f等宽禁带半导体的氧化物材料，本工作将研究体系进一步拓展到具有p电子的碱土金属氧化物体系。该工作表明这种新型二维界面在研究p-d电子关联方面具有重要潜力，同时对开发新型信息功能材料的应用研究等方面具有重要意义。