半導體材料是現代光電和微電子信息技術的基礎。後摩爾時代半導體器件尺寸不斷縮小和集成電路晶體管數目成倍增加，有效地熱耗散和熱控製成為微處理器、光伏、熱電等設備高效率穩定工作的重要保障。如何調控半導體材料熱導率和增強熱力學穩定性是需要解決的一個關鍵科學技術問題。近日，我院楊凱科教授與中國科2半導體研究所鄧惠雄等人在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上發表題為“Electronic Origin of the Unusual Thermal Properties of Copper-Based Semiconductors: The s-d Coupling-induced Large Phonon Anharmonicity”和“Effectively tuning the stability and optoelectronic properties of halide perovskites by B-site alloying”的兩項研究成果。

該研究首先報道了銅基半導體強非簡諧效應的物理起源。銅基材料常表現出一些不尋常的物理性質，如超導電性、超離子性、鐵電性、極低熱導率和傑出的熱電性能，這些性質與銅原子振動密切有關。例如，銅鹵化合物中銅原子容易偏離中心位置，導致介電異常和光電容猝滅；銅酸鹽高溫超導體或鐵電體中銅-氧平面對聲子模軟化和超導轉變溫度起著關鍵作用；銅硫族化合物中銅離子呈現液體的運動特征；特別是銅基半導體具有異常低的本徵熱導率，比硅小兩個數量級。儘管銅基材料具有許多奇異的物理特性和巨大的應用潛力，但內在的物理機制仍然不明確。事實上，銅基材料的許多熱學性質與其強烈的非簡諧效應有關。因此，我們從第一性原理計算揭示了銅基半導體中對稱性依賴的s-d軌道耦合是導致聲子強非簡諧效應的原因。與不含銅的化合物相比，銅基材料中銅有一個高能占據的3d軌道，且非常接近自身的4s態。由於熱振動，局域對稱性降低，銅高能占據的3d軌道與其未占據的4s態產生很強的s-d耦合，降低了晶格振動勢壘，增強了聲子非簡諧性。該研究將有益於理解半導體中電-聲子耦合相關的材料物性和熱電器件設計。

此外，光伏器件將光轉化為電能，對減少溫室氣體排放和避免環境污染至關重要。目前鹵化物鈣鈦礦半導體是最具潛力的候選材料之一，但是如何有效地改善其熱穩定性是一個嚴峻的挑戰。應編輯邀請我們評述了Wang等人利用B位合金法增強鹵化物鈣鈦礦半導體材料熱穩定性的工作。他們發現用鍺或錫替換B位的鉛原子，可以很大程度地調控材料的電子結構，提高鹵化物鈣鈦礦的熱穩定性，改善光電性質。

總的來說，調控半導體電子結構性質是調節晶體熱動力學性質的重要手段之一。上述有關銅基半導體的工作的合作者還有北京計算科學研究中心魏蘇淮教授和中國科2半導體研究所駱軍委研究員等人。