【供稿：物理学院】近日，吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队李全军教授课题组最近利用高压金刚石对顶砧技术，在NbOI₂中实现了一种压力诱导的反常n型到p型的转变。此外，还通过施加压力显著提升了NbOI₂的光电响应特性。相关研究成果以“Radical n?p Conduction Switching and Significant Photoconductivity Enhancement in NbOI₂via Pressure-Modulated Peierls Distortion”为题发表在Journal of the American Chemical Society期刊上。
本征p型二维层状半导体的缺乏阻碍了二维器件的发展，特别是在互补金属氧化物半导体（CMOS）器件和集成电路中。开发实用的 p 型半导体和先进的调制技术以实现精准的载流子控制，对于推动电子器件的发展至关重要。压力（压强）作为一种无污染手段，可以有效调控功能材料的晶体和电子结构，从而提供一种潜在的新途径来实现p型导电特性。然而，目前压力诱导的半导体极性改变仍非常罕见，且通常伴随着半导体-金属的转变。因此，寻找压力下能在半导体-半导体相变中实现快速切换导电类型的材料变得尤为重要。
NbOI₂是一种新型二维范德瓦尔斯铁电半导体，因其沿平面内b和c方向具有各向异性的键合特性，呈现出Peierls扭曲的极性结构。通过调节原子位置和相互作用，压力能够有效调控材料的结构形变，从而引起多种性能变化。具体而言，压力下Nb原子沿b轴方向的偏心逐渐被抑制，导致NbOI₂从C2相向C2/m相的转变，同时，载流子行为发生从n型到p型的显著转变。更重要的是，这种可逆的导电类型切换发生在半导体-半导体相变过程中。即使导电类型发生转换后，NbOI₂仍保持约1.1eV的带隙，这与先前报道的半导体材料在类似转变过程中通常出现带隙闭合的现象截然不同。这也是首次在具有如此大带隙的半导体中发现其压力诱导的极性可逆切换。这种特性极大地增强了NbOI₂在光电探测等相关领域的应用潜力。此外，在压力作用下，NbOI₂面内二聚体与二聚体之间相互作用的增强，削弱了二聚体内部的相互作用，导致二聚体内电荷离域程度增加，从而显著提升了其光电响应特性。在压力下，其光电流提升了3个数量级以上，且光谱响应范围扩展至1450nm近红外区。这些发现突显了压力工程在灵活高效调控光电特性方面的潜力，为设计高性能p型二维半导体提供了重要的指导。

图1：通过压力抑制Nb原子沿着b轴的偏心，导致NbOI₂发生C2到C2/m的半导体-半导体相变，同时，载流子行为发生从n型到p型的显著转变。
吉林大学超硬材料国家重点实验室岳磊博士、李宗伦博士（现散裂中子源博士后）为论文共同第一作者，通讯作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室的刘冰冰教授、李全军教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助支持。
全文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.4c09361