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、李全军教授团队与材料科学与工程学院张立军教授合作，在高压诱导功能材料导电类型切换领域取得了重要进展。相关研究成果以《Dramatic Switchable Polarities in Conduction Type and Self-Driven Photocurrent of BiI₃ via Pressure Engineering》为题，发表在《National Science Review》期刊上。

对半导体载流子极性和浓度的可靠控制是现代电子学的核心，全面理解和精确调控载流子的输运行为，对于提高未来大规模集成电路的稳定性和降低功耗具有重要意义。在二维半导体数字-模拟器件领域的应用中，提高电子电路和逻辑电路的功能化集成是一个重要的挑战，其中实现单一材料的导电类型（p/n型）转变是关键的一步。目前，大多数二维半导体材料（如MoS₂、WSe₂等）主要表现为单极性导电行为，即n型（电子主导）或p型（空穴主导）行为。为了实现导电行为的类型转换，科研人员已通过掺杂、材料合金化以及异质结构等手段进行了大量探索。然而，在单一材料中实现导电类型的多极性可控转换仍较为罕见。

已有研究发现，压强能够诱导功能材料的导电类型发生转变，但这种转变常伴随半导体-金属转变，极大地限制了其在半导体领域的应用。近期，刘冰冰教授、李全军教授团队在二维范德华层状半导体NbOI₂中，通过压强调制的Peierls畸变实现了其半导体-半导体相变过程中的n-p导电类型切换，首次在具有较大带隙的半导体中实现压强诱导的导电类型转换（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 25245）。在此基础上，该研究团队进一步提出了一种基于光热电效应主导的自驱动光电流来判断载流子极性的新方法，并进一步揭示了高压下正-负光电导转换与载流子类型切换之间的关联。该研究选取了金属卤化物BiI₃作为研究对象，采用高压工程实现了BiI₃导电类型及自驱动光电流的显著极性切换，并显著提升了其光响应特性。以往研究通常将高压下负光电导的出现归因于载流子类型的切换，但在光电流测试中施加偏压会对载流子类型的判断产生误导。为了排除偏压对判断载流子类型的影响，研究者采用聚焦光斑对样品进行局部照射，利用光热效应产生载流子浓度梯度，从而自发形成光电流。这种光热电效应产生的光电流方向可直接反映载流子的极性。研究发现，当激光照射于BiI₃样品与电极接触的一端时(A点)，产生正向的自驱动光电流；而当压力超过5.5 GPa时，光电流方向发生反转，指示BiI₃导电类型发生了p-n切换。霍尔效应测量进一步验证了该导电类型的转换。这一发现不仅为半导体导电类型的定性测量提供了新方法，还澄清了高压下正-负光电导转换来源的相关争议。此外，压力还显著的提升了BiI₃的光电响应特性，其光电流在压力下有超过3个数量级的提升，在光热协同效应的作用下其光谱响应范围也成功扩展至光通讯波段(1650 nm)。这些发现不仅有助于深化对半导体载流子行为的理解，还为逻辑电路的设计和器件性能的优化提供了宝贵的见解。

图：压力诱导BiI₃的p-n导电类型切换导致自驱动光电流的极性反转

吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室岳磊博士和材料科学与工程学院田伏钰博士为论文共同第一作者，通讯作者为吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室的刘冰冰教授、李全军教授以及材料科学与工程学院张立军教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金的资助支持。

全文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae419