随着半导体器件持续微缩，栅介质材料需同时具备宽禁带（抑制漏电流）和高介电常数（强静电控制）。然而，传统电介质面临内在矛盾：禁带宽度增大往往导致介电响应降低。例如，六方氮化硼（h-BN）禁带宽（~6 eV）但介电常数低（κ≈3–5）；而钙钛矿氧化物如SrTiO₃虽具有超高κ（>100），但其禁带较窄（~3.2 eV）。如何打破这一内在矛盾，成为集成电路介电材料研制方向的关键挑战。
近日，betway西汉姆联官网吴金雄教授、罗锋教授与西湖大学李文彬副教授（共同通讯作者）通过理论与实验相结合的策略，发掘出BiOF作为新型介电材料的巨大潜力。该材料同时具备宽禁带（~4.5 eV）与高面外介电常数（κ=22.5）。同时，团队开发出可规模化固相合成路线，成功制备出纯相BiOF粉末，并首次实现超薄BiOF纳米片的CVD生长。此外，该材料可用于优化二维材料器件性能。例如，将少层石墨烯用BiOF双层封装后，在2 K下获得了优异的电子霍尔迁移率（~134,000 cm² V⁻¹ s⁻¹）及明显的舒勃尼科夫-德哈斯量子振荡。相关工作发表在ACS Nano上。
亮点一：突破禁带-介电常数的内在制约，BiOF兼具宽禁带与高κ
研究团队通过第一性原理计算发现，BiOF中Bi原子的面内Born有效电荷高达+4.55（远超其名义电荷+3），源于Bi-6p与O-2p轨道的跨带杂化。这使得其面内离子介电贡献（εion = 84.7）远大于电子贡献（ε∞=5.4），从而获得高平均κ值（67.0）。同时，由于氟元素的强电负性，BiOF禁带宽度达4.6 eV（理论）和4.5 eV（实验）。这种“离子极化主导”的策略为设计新型高κ宽禁带介质提供了新思路。
亮点二：发展固相合成路线与CVD生长，获得高质量BiOF纳米片
如图所示，为测试本征介电性能，团队开发了可规模化固相反应法（BiF₃ + Bi₂O₃ → 3BiOF），单批次可获得约10 g高纯BiOF粉末。XRD表征无杂质相，将其压制成致密圆片并构建MIM结构测试。结果显示室温下100 Hz至1 MHz介电常数为66.4至47.6；100–550 K范围内低频介电常数随温度显著提升，高频则保持稳定，测得带隙约4.5 eV，与DFT计算一致。
同时，克服了氟化物CVD生长的难题，首次实现BiOF二维纳米片的CVD生长。通过将BiF₃置于SiO₂/GeO₂混合物上方，通过调控温度窗口（450–500 °C），在云母衬底上获得厚度可薄至2.4 nm、横向尺寸达48 μm的单晶纳米片，并具有原子级平整表面和优异的稳定性。 UV-vis光谱测得其光学带隙4.6 eV。介电性能评估表明，18.6 nm BiOF的面外介电常数22.5，且在宽频、宽温、宽厚度范围保持高κ特性，同时具备低漏流、高击穿场强与优异耐压性。将CVD制备的二维BiOF用作MoS₂ 晶体管顶栅栅介质，可实现小亚阈值摆幅、低栅压回滞与高电压增益，展现出优异的栅介质性能。
亮点三：作为理想栅介质和封装层，显著提升石墨烯器件性能
如图所示，进一步将 CVD 生长的 BiOF 作为类 h-BN 范德华封装层：在同一片少层石墨烯上制备半封装、半未封装的霍尔器件进行对照测试。结果表明 BiOF 双面封装可显著改变石墨烯纵向电阻的温度依赖关系。基于双载流子模型拟合发现，室温下电子与空穴迁移率分别提升为未封装样品的 3 倍与 2 倍，这主要得益于 BiOF 高 κ 介电屏蔽效应抑制了库仑散射，同时封装器件在 2 K 下磁阻高达 4847%，并观测到明显的 SdH 量子振荡，充分证明 BiOF 可高效提升二维材料的输运性能。
该工作报道了一种新型层状宽禁带高κ电介质BiOF，通过离子极化机制打破了禁带与介电常数之间的内在制约。研究团队建立了从粉末固相合成到CVD二维单晶生长的完整制备路线，并展示了BiOF在栅介质、封装层以及提升二维材料器件性能方面的巨大潜力。未来，进一步优化CVD工艺以实现大面积均匀薄膜和可控取向，将推动BiOF在低功耗二维电子学中的应用。
文章信息
期刊：ACS Nano
题目：A Layered Wide-Bandgap BiOF Gate Dielectric with a High Dielectric Constant
作者：Jiabiao Chen, Xinyue Dong, Yameng Hou, Xiang chen, Lan Lan, Zhaochao Liu, Fengbo Yan, ZunxianLv, Yuyu He, Mingjian Yang, Huixia Fu, Xuewen Fu, Wenbin Li*, Feng Luo*, and Jinxiong Wu*
发表日期：15 March 2026
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c18038
