背景介绍：

    随着互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺持续逼近物理极限，传统硅基器件难以满足后摩尔时代高性能、低功耗、高集成的发展需求。二维氧化物具备优异的结构稳定性、良好的半导体工艺兼容性，同时兼具半导体、高κ栅介质、铁电、磁性等多种功能特性，是下一代信息器件的核心候选材料。近年来，本征层状氧化物与块体氧化物二维化两大研究方向发展迅速，不仅极大丰富了二维氧化物材料体系，还催生出诸多新颖的物理效应与新型器件应用。本文系统综述了这两类二维氧化物的材料分类、可控制备方法、本征物理性质及器件研究进展，归纳了现阶段面临的技术瓶颈，并对其产业化落地的发展路径进行了展望。

图1 二维氧化物的分类。(a) 层状氧化物的插层效应示意图。(b) 非层状氧化物二维化过程示意图，突出显示产生的晶格弛豫与机械柔性。(c) 二维氧化物晶格转角示意图。

根据晶体成键方式，二维氧化物可划分为层状氧化物与非层状氧化物两大类。层状氧化物依靠层间弱范德华力，可通过机械剥离、液相剥离等方式制备大面积单晶薄膜；非层状块体氧化物本征为三维强化学键结构，需借助范德华外延、气-液-固-固生长（VLSS）等特殊策略实现原子级超薄二维形貌。

图2 (a) Li_xCoO₂电化学测试单元及其理想晶体结构。(b) Bi₂O₂Se典型光学照片与层状晶体结构；其四方晶系层(Bi₂O₂)_n与Se_n层沿c轴交替堆叠。(c) Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ光学照片与原子结构。(d) h-TiO₂典型光学照片与晶体结构。(e) NbOCl₂沿b轴观测的截面原子分辨环形明场扫描透射电子显微照片及晶体结构。(f) B₂O₃的扫描隧道显微镜形貌图与原子结构，其晶格由刚性硼氧六元环构成蜂窝网络。(g) Sm₂O₂SO₄光学照片与晶体结构。(h) ZnO的扫描电子显微照片与分子结构。(i) BiFeO₃的截面高角环形暗场显微照片与晶体结构。(j) ITO原子力显微照片及截面透射电子显微分析结果。(k) CoFe₂O₄光学照片与原子结构。(l) Gd₂O₅典型光学照片与晶体结构。(m) β-Bi₂O₃高角环形暗场扫描透射电子显微照片(HAADF-STEM)与原子结构。(n) ZrO₂的投影多层电子叠衍相位图与原子结构。

本文梳理了近半世纪二维氧化物的发展脉络：从早期层状锂电氧化物电极，到Bi₂O₂Se、h-TiO₂等高迁移率半导体、NbOCl₂非线性光学晶体，再到B₂O3、Sm₂O₂SO₄等新型介质材料；同时介绍了ZnO、BiFeO₃、CoFe₂O₄等传统非层状氧化物的二维化突破。两类材料的协同发展，不仅丰富了二维材料家族，也为低维物理研究与器件创新提供了全新平台。

图3 二维氧化物的制备策略。(a) 云母基底上CoFe₂O₄的限域范德华外延生长示意图，以及CoFe₂O₄的截面高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像。(b) 缓冲层辅助范德华外延生长示意图。(c) 单层MoO₃的氧化制备过程示意图。(d) 二维β-Bi₂O₃晶体的VLSS生长示意图，以及六方晶体特定边缘区域的生长动力学模型。(e) 层状氧化物生长及后续机械剥离过程示意图。(f) 铂(111)晶面上二维B₂O₃薄膜的超高真空制备工艺示意图。(g) 二维MnTeMoO₃薄片的热膨胀失配高压生长过程示意图。(h) 分别在铜(111)基底、石墨烯包覆铜(111)基底上热蒸发沉积Sb₂O₃的示意图。

针对层状与非层状二维氧化物的制备难题，目前已形成自上而下剥离与自下而上生长两大技术体系。范德华外延、缓冲层外延、VLSS生长、热膨胀失配高压生长等方法，成功实现各类超薄氧化物单晶的可控制备；金属-气体界面氧化、原位等离子体氧化、超高真空沉积、热蒸发等工艺，兼顾样品结晶度、厚度均一性与晶圆级规模化潜力。文中对比了各类合成技术的原理、优势与现存局限，并汇总了不同方法制备的二维氧化物参数，为后续材料设计与工艺选型提供参考。

图4 (a) 基于Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅异质结的环栅(GAA)晶体管示意图。(b) 截面高分辨率透射电子显微镜图像，显示了Bi₂O₂Se与Bi₂SeO₅之间外延平整的界面。(c) Bi₂O₂Se GAA晶体管与先进Si GAA晶体管及其他二维半导体器件的驱动电流对比。（d）在不同偏压下测得的p型h-TiO₂场效应晶体管的转移特性曲线。(e) h-TiO₂的厚度依赖性场效应迁移率。(f) h-TiO₂晶体管的温度依赖性空穴迁移率。(g) 通过原子层沉积制备的超薄In₂O₃场效应晶体管的转移特性曲线。(h) 在不同栅极电压下测得的In₂O₃晶体管的输出特性曲线。(i) 不同沟道厚度In₂O₃晶体管的沟道长度依赖性场效应迁移率。(j) 不同栅极电压下超薄β-Bi₂O₃晶体管的输出特性曲线。(k) 具有高迁移率和较大开/关比的β-Bi₂O₃晶体管的转移特性曲线。(l) β-Bi₂O₃晶体管中迁移率和开/关比的厚度依赖性。

二维氧化物半导体在亚3 nm节点晶体管中展现巨大潜力。以Bi₂O₂Se为代表的n型氧化物、h-TiO₂与β-Bi₂O₃等高迁移率p型氧化物，有效缓解了传统器件中高低迁移率不对称的难题。围绕GAA晶体管等先进器件结构，二维氧化物实现近理想亚阈值摆幅(SS)、高开关比与低工作电压；原子级平整的外延界面大幅抑制载流子散射，为互补逻辑电路和大规模集成电路奠定基础。文中汇总近五年氧化物晶体管关键性能指标，直观展现其技术优势。

图5 (a) 基于SrTiO₃与MoS₂的局部背栅场效应晶体管示意图。(b) 50个SrTiO₃/MoS₂晶体管的转移特性曲线。(c) 采用SrTiO₃栅极介电层的器件性能统计，包括电流开/关比的散点图（黑色）以及从50个器件中提取的静态阈值电压的统计直方图（灰色）。(d) 顶栅MoS₂场效应晶体管的示意图（上）以及器件沟道区域的截面透射扫描电子显微图像（下），显示MoS₂沟道与Gd₂O₅介电层之间界面平整。(e) 采用石墨烯顶电极的MoS₂场效应晶体管的双扫转移特性曲线。(f) 采用Gd₂O₅栅极介电层的剥离少层MoS₂场效应晶体管（空心符号）与CVD生长单层MoS₂场效应晶体管（实心符号）测得的SS（左轴）和电流开/关比（右轴）的统计分布。(g) 在V_DD = 0.5 V和1 V供电电压下，反相器输出电压随输入电压的变化曲线，插图中显示了相应的电压增益。(h) 用于实现三维集成二维互补场效应晶体管(CFET)的MoS₂/h-BN/Bi₂TeO₅/MoTe₂垂直双层异质结的示意图。(i) 二维CFET反相器在不同V_DD值下测得的V_IN-V_OUT曲线（上）和增益（下）。(j) 采用全二维半导体通道的先进CFET反相器之间的电压增益比较。

二维氧化物是后摩尔器件理想的高κ栅介质。区别于h-BN低介电常数的短板，Gd₂O₅、Bi₂TeO₅、MoO₃等二维氧化物兼具高介电常数、宽带隙与原子级界面，可将等效氧化层厚度（EOT）缩小至1 nm以下，满足国际器件与系统路线图(IRDS) 2 nm节点要求。这类介质能有效抑制漏电流、降低界面陷阱，在二维晶体管、互补场效应反相器中实现优异静电调控能力与电压增益，是构筑低功耗器件的关键材料。

图6 光与二维氧化物之间的相互作用及其在光电器件中的应用。(a) L-TiO₂/H-TiO₂双层结构中二维金属界面的示意图，以及利用光学泵浦激光（λ = 266 nm）对L-TiO₂/H-TiO₂双层结构进行的超快时间分辨太赫兹光谱测量。(b) NdNiO₂/SrTiO₃异质结及测量配置示意图，以及(c) 在不同功率照射下的面电阻。(d) α-MoO₃–AlN异质结近场成像实验的示意图。(e) 频率为770 cm^-1的双曲渐近线极化子实验近场振幅图像。(f) NbOCl₂的二次谐波产生(SHG)测量几何示意图及其与层数相关的SHG强度。(g) 二维Bi₂O₂Se光电探测器在0.6 V偏压下，分别在1200 nm和1500 nm波长下的响应度。(h) 基于杂原子插层KNb₃O₈的光探测器的成像应用演示，以及(i) 不同辐射剂量下器件性能的统计分析。(j) 基于VO₂器件的光突触示意图。(k) 不同光脉冲序列下VO₂光突触器件的光响应特性。(l) 二维压电-铁电-光电子突触的示意图，以及手指按压过程中光学指纹传感器捕获的指纹示意图。

维度限域使二维氧化物呈现独特的激子效应、界面态、电子-声子耦合与极化激元行为，催生丰富光电功能：从深紫外到红外的宽光谱光电探测器，具备高响应度、超快响应速度与抗辐射、宽温区工作特性；基于缺陷与相变调控的非易失性光电存储器、人工光突触，实现感知、存储与运算一体化；依托空间反演对称性破缺产生的二阶非线性光学效应，拓展二维量子光子器件方向。同时，二维氧化物在太阳能电池、柔性传感、生物监测等领域也展现出广阔应用前景。

图7 (a) Bi₂SeO₅晶体结构示意图。(b) Bi₂SeO₅经正极化和负极化处理后的高分辨率原位HAADF-STEM图像。(c) 在晶圆级薄膜上测得的铁电滞回环，显示出均匀的极化。(d) 面外(OOP)模式中极化切换的示意图。(e) TiO₂在压电响应力显微镜(PFM)表征中的OOP相图。(f) 超薄（1.6 nm和 1 nm）TiO₂薄膜的交指式电极极化-电压(P-V)测量结果。(g) 氢化PdCoO₂的示意图和结构模型，显示了插层位点。(h) 300 K下沿OOP和面内(IP)两个方向测得的氢化PdCoO₂磁滞回线。(i) 200 Oe场强下氢化前后PdCoO₂的磁-温曲线对比。(j) 不同厚度CoFe₂O₄的磁光克尔效应(MOKE)测量结果。(k) 厚度依赖性磁畴评估的磁力显微镜(MFM)测量结果。(l) 云母上厘米级CoFe₂O₄薄膜的光学图像。

原子尺度下稳定的铁电、铁磁序是构筑高密度非易失性存储器、存算一体与自旋器件的核心。文章介绍了Bi₂SeO₅、TiO₂等层状/非层状铁电氧化物，以及PdCoO₂、CoFe₂O₄等二维磁性材料。通过界面工程、氢化掺杂、尺寸调控等手段，可实现室温铁电/铁磁特性与稳定畴结构；厘米级大尺寸二维铁氧体薄膜的制备突破，进一步推动该体系从基础研究走向器件集成。

总结：

    二维层状氧化物与块体氧化物二维化技术，已从基础探索走向产业化器件研发，覆盖晶体管、栅介质、光电器件、铁磁铁电器件等全链条应用。目前该领域仍面临晶圆级规模化制备、界面与接触优化、高低迁移率器件失衡、长期可靠性等难题，低维关联电子体系的物理机制也有待进一步深挖。未来，晶圆级单晶生长、智能缺陷/掺杂调控、三维异质集成、类脑计算与量子器件将成为核心发展方向。二维氧化物有望延续摩尔定律，并催生超越传统CMOS的全新器件架构，在后摩尔信息时代占据重要地位。

课题组介绍：

何军课题组长期致力于新型低维半导体材料及其电子、光电子器件应用研究，提出并发展了通用的半导体材料范德华外延技术，实现了关键二维半导体材料的工业级晶圆制备；开发“后摩尔时代”新型信息器件及高能效芯片，包括非制冷红外焦平面阵列、太赫兹探测芯片、感算一体智能芯片等。已在Science、Nature子刊、PRL等国际期刊发表SCI论文200余篇，他引超20000次，授权专利30余项。获得教育部自然科学一等奖、北京市自然科学一等奖、湖北省自然科学奖一等奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖，以及国际材料研究学会联盟（IUMRS）-前沿科学家奖（FMSA）等荣誉。主持承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划集成项目、重大研究计划重点支持项目、中国科学院战略性先导项目等20余项，同时承担了国家电网、高德红外等多个企业重点研发项目。

课题组网站：https://hejun.whu.edu.cn/

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    Information ＆ Functional Materials（IFM）《信息与功能材料（英文）》是由浙江大学主办，浙大出版社与Wiley合作出版的开放获取英文学术期刊。本刊由杨德仁院士为主编领衔创办，钱国栋教授和李昌治教授担任副主编。