翟晓芳教授与合作者在氧化物能带调控领域取得重要进展

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上海科技大学物质学院翟晓芳教授和合作者组成的研究团队在氧化物能带调控领域取得重要进展。近日，该研究成果以“Realization of Electron Antidoping by Modulating the Breathing Distortion in BaBiO3”为题，在国际知名期刊Nano Letters上在线发表。
在常规的掺杂过程中，载流子在注入被掺杂体后，能够改变其费米能级，从而导致带隙减小，电导率增加。与常规掺杂相比，在反掺杂的过程中，载流子会导致带隙增加，电导率降低。在电子反掺杂的情况中，在掺杂之前，这些化合物具有一些从价带中分离出来的“中间带”。一些空穴积聚在这个中间带，当有额外电子掺杂的时候，电子会与中间带中的空穴结合，然后使中间带消失。这就增加了整个体系的带隙，从而降低了电导率。反掺杂效应具有广泛的应用，例如在电池中，反掺杂可应用到电池充电过程，使得电池能够具有更大的容量，从而有效地改善电池的性能。到目前为止，反掺杂效应只在一些具有“负电荷转移”（一种特殊能带结构）的过渡金属氧化物中观察到,但在这类材料中强关联相互作用对能带的调控非常强，反掺杂的机制很难被理解。

图1 BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)晶体结构和能带结构变化示意图

        研究团队在不具有强关联相互作用的主族氧化物BaBiO3薄膜中，发现了电子反掺杂的实验现象和理论原理。到目前为止，在实验中还没有在主族氧化物中观察到反掺杂效应。研究团队中，郭宏礼博士采用第一性原理计算表明，在具有氧空位的BaBiO3-δ中能够实现电子反掺杂效应，计算结果引入氧空位会导致体系的晶格呼吸畸变减弱，同时使部分Bi 6s和O 2p态消失，最终导致带隙增大。实验部分的研究中，研究团队采用脉冲激光沉积系统生长，并通过控制退火时间和退火氧压制备了一系列含不同氧缺陷的BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)薄膜。通过一系列的光谱实验和结构测试证明了通引入氧空位能够使BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)晶格呼吸畸变变弱，带隙增大。因此，这一系列实验和理论研究表明，在没有强关联性的主族氧化物材料中，晶格的呼吸畸变也可以触发反掺杂效应。

图2 BaBiO3-δ (0≤δ≤0.25)薄膜的带隙随氧含量变化关系

        翟晓芳课题组已毕业博士研究生曹慧（现任职于阿贡国家实验室）和现任职于美国加州州立大学北岭分校郭宏礼博士为该论文共同第一作者，翟晓芳教授和阿贡国家实验室APS光源周华研究员为论文共同通讯作者。合作作者包括劳伦兹伯克利国家实验室Yi-De Chuang研究员，日本早稻田大学Atsushi Fujimori教授，上海科技大学赵爱迪教授等人。该项工作受到了科技部国家重点研发计划、上科大启动经费和国家自然科学基金等的支持。
        原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c00750


       文章来源：上海科技大学
       翟晓芳，上海科技大学教授。1997-2002中国科学技术大学物理系，获学士学位，2002-2008美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）物理系，获博士学位，2008-2009美国加州大学伯克利分校（UC-Berkeley）材料系，博士后，2010-2019中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心，副研究员，2019年9月加入上海科技大学物质学院担任副教授。