近日，物理与光电工程学院黄浦副教授等人在二维高K介电氧化物的高通量计算和物性研究方面取得重要突破，相关结果以“Prediction of nonlayered oxide monolayers as flexible high-κ dielectrics with negative Poisson’s ratios”为题发表于国际顶尖期刊《Nature Communications》，胡月博士后研究员（一作），张秀文教授，黄浦副教授为论文的通讯作者，深圳大学为第一单位。
半导体集成电路正不断向高密度、大规模以及小型化的方向发展，这就要求场效应晶体管（FET）在不断缩小尺寸的过程中性能持续增强。硅基FET已延续摩尔定律发展了数十年，现如今已经接近物理极限。相较之下，二维半导体以其原子级厚度和优异的栅极调控特性，被认为是构筑“后摩尔时代”新型FET的理想材料。据国际器件和系统路线图（IRDS）预测，2028年将采用二维半导体进行芯片制造。要实现该目标，亟需解决的一个关键问题就是寻找或设计具有高介电常数（K）且与二维半导体兼容的优质介电材料。
图1. （a, b）二维介电氧化物的结构和剥离能；(c, d)二维GeO2和WO3的负泊松效应；（e）介电常数和带隙分布；（f）GeO2/MoS2异质结能带及带边位置。
针对该问题，我们发展了一种全新的晶面密排度筛选算法。利用高通量计算与团队独特的步进剥离技术，我们成功筛选出大量的二维高K介电氧化物。经过研究，我们预测出51种有望被解离出二维形态的候选氧化物，涵盖了金属和绝缘体/半导体。这些氧化物展现出了丰富的物理特性，比如超高K值（99）、负泊松比（NPRs：-0.094 ~ -0.431）、谷自旋劈裂（~211 meV）、室温铁磁/反铁磁、铁电、铁手、铁弹以及多铁耦合等。其中，二维GeO2表现出显著的负泊松效应，K值高达99，并能与MoSe2和HfSe2形成 I 型异质结。我们的研究不仅为设计基于非层状晶体的二维高K介电氧化物及纯二维电子学研究开辟了新道路，还为未来的新型FET技术发展提供了氧化物电介质。更重要的是，该研究为以实际功能应用为目标导向的新型材料研发提供了一条标准范式。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42312-4
该工作得到了国家/广东省/深圳市自然科学基金，深圳市孔雀团队，国家重点研发计划，国家重大仪器研制项目等基金项目的支持。
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