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高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖 基本信息 项目名称:先进半导体材料的奇异结构相变和新奇量子特性 推荐单位:北京航空航天大学 项目简介: 项目成果属于计算材料学与半导体材料交叉学科.

纳米结构半导体材料尺寸小、 比表面大、 工作响应时间往往在皮纳秒级,且性能受外场如应力和温度等的影响,因此,原位表征工作 过程中的结构演化、探究奇异的量子效应、实现表面/界面电子结构的有效调控等是公认的具 有挑战性的关键科学问题和技术难题.在国家杰青等项目支持下,项目基于第一原理计算和 第一原理分子动力学模拟,克服实验困难,发展了原位分析结构相变的方法,预测了半导体 材料的奇异结构相变与若干新奇量子特性, 提出表面/界面电子-空穴对的有效分离方法, 为发 展高性能纳米器件奠定基础.重要科学发现点如下:

1、 创立了半导体非晶结构的理论描述新方法, 揭示了硫族相变材料(GST)的奇异非晶结构, 提出 GST 非晶与晶相间的快速可逆相变的空位/孔洞新理论.该成果被约翰霍普金斯大学马 恩教授 PRL 和PNAS 文章评价为 非晶 GST 的重要特征 ;

这种高密度非晶 GST 被孙等的 模拟所预测 、 与岩盐结构的非晶 GST 不同,……,高压下非晶 GST……,与常压下稳定的 三角晶相具有类似特征 ;

被耶鲁大学 Adv Mater 实验证实 我们观察到相变存储器循环擦写 中形成了纳米孔洞 ;

美国科学院院士杨培东 Nano Lett 工作用该成果 空位降低结构重排的能 量势垒 解释其实验中晶体结构的稳定性.

2、揭示了低维半导体材料中的奇异量子效应,首次预测了超晶格拓扑绝缘体、一类新型大 带隙量子自旋霍尔相和二维本征铁磁半金属,为发展超低功耗、高效率的自旋电子学器件提 供理论基础.加州州立大学 PRB 工作强调其模型和结论与该成果完全一致;

Adv Funct Mater 综述评价 …GST 超晶格在电子工程学将有广阔的前景 ;

宾州大学 ACS Nano 工作指出其 模 型预测的局域磁矩和输运性质与司等的完全一致 ;

2018 引文桂冠奖得主 Gogotsi 教授 Adv Mater 和Nature Reviews Materials 综述将该成果的大带隙量子自旋霍尔相和二维本征铁磁半 金属作为先驱工作大篇幅介绍.

3、发展了纳米半导体材料表面/界面电子-空穴对的有效分离和能带结构的调控方法,包括 构筑 II 型范德华异质结、表面修饰和应变工程,为设计高效率的光电子器件提供理论基础. 王中林教授制备出该成果的 II 型范德华异质结, 用作压电场效应晶体管门电极并防止栅漏 电流对器件的影响 ;

欧洲科学院院士 Astruc 教授、德国催化协会主席 Muhler 教授的综述分 别高度评价该成果 指导了 MXene 在光催化领域的研究 、 在CO2 光转换领域具有重要意义 ;

澳大利亚乔世璋教授 Energy Environ Sci 综述长篇幅介绍并强调该成果是本领域的首创工作. 项目提出的理论预测和设计方案被实验证实和实现,理论模型和物理机制被用于解释实验 现象和计算结果.多个创新成果处于国际领先水平,推动了先进半导体材料及器件的实验研 究和理论探索.8 篇代表性论文含

2 篇PRL、1 篇PNAS、1 篇Nano Lett,1 篇ESI 高被引论 文, 被Nature Reviews Materials, Chem Rev, Chem Soc Rev 等82 篇综述大篇幅介绍 (多次引用 原图) ,被SCI 他引 534,总他引