第三代宽禁带半导体 β-Ga₂O₃具有大的带隙（~4.8 eV），高的击穿场强（~8 MV/cm），超高的巴利加优值等优异性质，而且在高功率、低功耗等器件方面呈现显著的优势。但是低的热导率、不易实现有效p型等特点也限制了β-Ga₂O₃的应用。为了改善β-Ga₂O₃的性质，促进β-Ga₂O₃的应用，我校郝跃院士团队的常晶晶教授等人提出降低β-Ga₂O₃维度的思路。研究团队利用第一性原理和分子动力学方法获得了β-Ga₂O₃各晶面的能量和剥离能，预测了具有稳定结构的二维Ga₂O₃（如图1）。并且发现降低β-Ga₂O₃的维度显著增强量子效应，改变了带边的电子结构，从而使得电子迁移率提高一到两个数量级，同时使禁带宽度随着二维结构的厚度减小而增大，单层Ga₂O₃的带隙值可达到6.42 eV。值得注意的是，与β-Ga₂O₃类似，二维结构的Ga₂O₃也依然呈现弱的间接带隙（The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122, 24592-24599）。

 
       另外，通过结构和热力学研究发现，降低维度并没有改变β-Ga₂O₃的弹性模型的个数，即保持单斜晶系特征。但是形成二维结构的Ga₂O₃会减弱Ga-O键的离子强度从而改善了β-Ga₂O₃的热导率，单层Ga₂O₃的热导率可达0.49 W·cm⁻¹·K⁻¹。值得注意的是，降低β-Ga₂O₃的维度虽然会显著增加β-Ga₂O₃的杨氏模量的各向异性（图2c-d），但同时也使得β-Ga₂O₃的体模量显著减小，单层的Ga₂O₃体模量甚至低于一般层状二维材料。这意味着利用低维度的β-Ga₂O₃容易被应力调控且有潜力实现柔性器件（Materials & Design, 2019, 184, 108197）。

 
       为了进一步探索二维结构Ga₂O₃的应用潜力，通过施加单轴拉伸应变可以实现间接带隙向直接带隙的转变，同时伴随着带隙的减小。但无论是拉伸应变还是压缩应变都可以进一步改善其电子迁移率。当对二维结构Ga₂O₃施加外加垂直电场(E-field)，E-field<0.5 eV /Å时，带隙值随着电场强度增大缓慢减小，但电子有效质量和各向异性保持不变；当E-field>0.5 eV /Å时，电子有效质量和带隙都显著减小，且输运各向异性消失（Advanced Theory and Simulations，2019, 2(9), 1900106）。

 
       实现有效p型Ga₂O₃是大规模利用β-Ga₂O₃的前提，而传统的缺电子掺杂技术获得的p型β-Ga₂O₃具有深的受主能级（>1.3 eV）。研究团队利用二维结构表面悬挂键卤素钝化技术，发现Cl钝化既可实现有效的p型导电特性，也能够同时增强电子和空穴的迁移率；而F钝化会在带隙中引入明显的杂质态增加电荷散射，降低电荷输运能力。这是因为Cl表面钝化向Ga₂O₃提供电子，而电子亲和势大的F向Ga₂O₃提供空穴降低了价带轨道的能量。本方法为实现高效p型β-Ga₂O₃薄膜提供了新思路（Materials Today Physics, 2020, doi: 10.1016/j.mtphys.2020.100192）。

 

      以上研究得到了国家自然科学基金，陕西省自然科学基金，科技部重点研发计划，国家高层次人才支持计划，中国科协青年人才托举工程等项目的资助。常晶晶教授近几年针对有机/氧化物柔性印刷电子，低维氧化物半导体，钙钛矿光电能源转换器件等做了大量的工作，在Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、AngewandteChemie International Edition、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Advanced Science、Chemical Science、Advanced Electronic Materials、Nano Energy等国际权威期刊上发表SCI论文140余篇，其中第一作者/通讯作者80余篇，授权新加坡/美国/中国专利5项，申请中国专利20余项，主持参与国家自然科学基金等20余项。担任Springer-Nature出版社Journal of Materials Science-Materials in Electronics客座编辑，中国真空学会电子材料与器件专委会副秘书长。入选2018年福布斯中国教育领域30岁以下精英榜单，2018年科学中国人年度人物电子工程领域提名人等。