半导体中短程有序结构鉴定及其对能带工程调控的突破性发现

来自多机构的研究团队通过能量过滤四维扫描透射电镜与机器学习神经演化势模拟，首次在GeSiSn三元半导体体系中证实短程有序(SRO)的存在，解析出以Si–Ge–Sn三聚体为主导的原子排列模式，为超越成分与应变调控的原子级能带工程提供了新维度。

　　

编辑观点指出，短程有序(Short-Range Order, SRO)是指原子在晶体晶格中小尺度（通常小于几纳米）范围内呈现有序排列，但长程不形成完全有序化合物的现象。在金属中SRO与机械变形特性相关，在陶瓷中与扩散特性相关，而在半导体领域，SRO除理论预测其可引起电子能带结构(electronic band structure)重要变化外，实验研究极为有限。

Vogl等人采用能量过滤电子显微技术(energy-filtered electron microscopy)与互补模拟方法，在锗-硅-锡(GeSiSn)半导体中证实了SRO的存在，并鉴定出SRO motif的实际原子结构。研究表明化学短程有序(chemical short-range ordering)是调控半导体电子结构的关键因素，但原子尺度有序模式的表征一直是重大挑战。

研究团队通过先进的能量过滤四维扫描透射电子显微镜(energy-filtered four-dimensional scanning transmission electron microscopy)结合基于机器学习神经演化势(neuroevolution potential)构建的大尺度原子模型，发现不同原子物种存在偏好性有序排列，其中Si–Ge–Sn三聚体(triplets)占主导地位。该工作不仅证实了SRO的存在，更直接揭示了其真实原子结构，证明了基于原子有序的能带工程(band engineering)可作为继成分(composition)与应变调控(strain tuning)之后的第三大自由度。