燕山大学理学院杨国春教授课题组提出了一种新的三元半导体材料Al₂B₁₂C。该材料具有独特的非笼型B-C框架，驱动其展现出室温下高于立方砷化硼的双极性载流子传输能力。研究成果以“由独特B-C框架驱动高双极性迁移率的Al₂B₁₂C”为题，于12月4日在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)，论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11164。

图为Al₂B₁₂C的（a）晶体结构，（b）双极性载流子迁移率和光吸收谱

半导体材料是现代电子器件的核心，载流子迁移率反映了电子或空穴在半导体材料中传输的能力。双极性半导体兼具n型和p型半导体的特性，能够高效传输电子与空穴，是实现器件高速运算和低功耗的关键。近年来，立方砷化硼（BAs）作为一种典型的双极性半体材料，其在室温下可实现高达1600cm²/V·s的双极性迁移率，备受关注。

课题组成员通过第一性原理结构搜索方法，理论提出一种新型化合物Al₂B₁₂C。其中C原子通过准sp³杂化与四个扭曲的六角反棱柱B₁₂单元的顶点发生键合，这一结构不同于传统的B₁₂二十面体和B₃C₃笼状结构，拓展了B-C材料家族的边界。结构中多中心共价键以及芳香性的AlB₁₂团簇赋予Al₂B₁₂C高的热稳定性和硬度。

研究表明，Al₂B₁₂C在室温下具有出色的双极性迁移率2095 cm²/V·s。C的p_z轨道捕获Al原子的电子，沿晶格c轴方向形成C-Al-C空穴传输通道；B₁₂单元中的π电子沿ab面扩散主导电子输运。影响载流子迁移的三种主要散射机制中，声学形变势散射影响最小，离子杂质散射在带边附近影响较大，而极化光学声子散射则是限制迁移率的关键机制。这种机制与BAs中以离子杂质和声学形变势散射为主导的情况显著不同。

此外，Al₂B₁₂C具有各向异性的光吸收特性，在a/b方向，波长大于605 nm时，其光吸收系数与GaAs和InP相当，低于该波长则超过GaAs、InP、Si和BAs。在c方向，527 nm以下的光吸收系数高于Si和BAs。这些特性使其在光伏太阳能电池和光电器件中具有潜力。

该研究得到了国家自然科学基金、科技部外国专家项目、中央指导地方科技发展基金以及河北省自然科学基金等多个项目的资助。论文的第一作者为燕山大学理学院博士生丁世聪，通讯作者为美国纽约州立大学布法罗分校化学系的Eva Zurek教授、美国罗格斯大学物理系的朱黎教授，以及理学院的杨国春教授。

杨国春教授简介

杨国春，燕山大学教授、博士生导师，专注于非常规组分化合物晶体结构与物理性质的理论研究，取得了创新性研究成果。已在PRL、JACS、Angew、PRB等国际期刊上发表论文160余篇，受邀撰写综述性论文6篇，论文总被引用次数超过7000次。主持包括国家自然科学基金、科技部外国专家项目在内的10余项省部级科研项目，以第一完成人身份荣获省级自然科学二等奖2项。目前担任英国皇家化学学会旗下PCCP杂志的副主编。