张立军：介电屏蔽效应——半导体电子材料优化设计的新视角

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对于半导体材料应用于电子和光电子器件，介电屏蔽效应能够有效防止载流子被材料缺陷散射或捕获，对提升载流子输运和光电转化性能方面有积极作用。典型的例子如近年来备受关注的卤化物钙钛矿光电材料，其介电常数高达70，有效地降低了光生载流子被杂质缺陷的散射或捕获，导致了材料具有超长的载流子迁移距离、较长的载流子寿命、及较高的载流子迁移率，是这类材料高光电转换效率的重要因素之一。不仅仅对于新兴的钙钛矿光电材料，其他的卤化物半导体，例如核辐射探测材料溴化铊（TlBr），也因其高介电常数，呈现出优异的光电转换性能。对于传统半导体材料，载流子迁移率也与介电常数存在紧密的正向对应关系。但迄今为止，介电屏蔽效应尚没有被作为一个重要的本征特性设计寻找新型的半导体电子和光电子材料。

吉林大学张立军课题组首次将介电屏蔽效应作为本征物理性质，基于高通量计算材料设计方法，开展了新型半导体电子材料的优化设计研究，研究成果以“Dielectric Behavior as a Screen in Rational Searches for Electronic Materials: Metal Pnictide Sulfosalts”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上[J. Am. Chem. Soc. 140, 18058 (2018)]。研究工作得到了中组部青年##计划、基金委优青项目及国家重点研发计划项目的资助，与美国密苏里大学及中国台湾中兴大学的合作者共同完成。吉林大学博士生贺欣为论文第一作者，密苏里大学David. J. Singh教授、中兴大学李明威教授与吉林大学张立军教授为论文共同通讯作者。

课题组选取了三元金属-V族元素-硫化物体系（M-Sb/Bi-S）作为切入点，针对实验上已合成、但未被系统研究的百余个化合物，综合考虑介电屏蔽效应与电子结构性质，开展了新型半导体材料的筛选与设计。选择三元金属-V族元素-硫化物体系开展研究的理论依据是该体系中Sb/Bi的p轨道与S的p轨道间有显著的跨带隙杂化，使得玻恩有效电荷增加，从而使这类材料具有高的介电常数（晶格贡献部分）。作者基于准确可靠的第一性原理高通量材料计算，综合考虑介电屏蔽效应与电子结构性质作为筛选尺度，针对两类半导体电子和光电子材料——太阳能光伏材料和热电材料，开展了新材料设计研究。在理论优化设计的材料中，Sn-Sb-S体系被实验证实为高效率的太阳能光伏材料（>5%）。研究还同时发现了该材料体系中材料结构特征导致高介电性质的规律性认知。该研究为新型半导体电子和光电子材料的优化设计提供了新视角。

文章链接：Dielectric Behavior as a Screen in Rational Searches for Electronic Materials: Metal Pnictide Sulfosalts (Xin He, David J. Singh*, Patsorn Boon-on, Ming-Way Lee*, and Lijun Zhang*, J. Am. Chem. Soc. 140, 18058 (2018), DOI: 10.1021/jacs.8b10685)。