半导体材料是现代光电和微电子信息技术的基础。后摩尔时代半导体器件尺寸不断缩小和集成电路晶体管数目成倍增加，有效地热耗散和热控制成为微处理器、光伏、热电等设备高效率稳定工作的重要保障。如何调控半导体材料热导率和增强热力学稳定性是需要解决的一个关键科学技术问题。近日，我院杨凯科教授与中国科学院半导体研究所邓惠雄等人在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上发表题为“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”的两项研究成果。

该研究首先报道了铜基半导体强非简谐效应的物理起源。铜基材料常表现出一些不寻常的物理性质，如超导电性、超离子性、铁电性、极低热导率和杰出的热电性能，这些性质与铜原子振动密切有关。例如，铜卤化合物中铜原子容易偏离中心位置，导致介电异常和光电容猝灭；铜酸盐高温超导体或铁电体中铜-氧平面对声子模软化和超导转变温度起着关键作用；铜硫族化合物中铜离子呈现液体的运动特征；特别是铜基半导体具有异常低的本征热导率，比硅小两个数量级。尽管铜基材料具有许多奇异的物理特性和巨大的应用潜力，但内在的物理机制仍然不明确。事实上，铜基材料的许多热学性质与其强烈的非简谐效应有关。因此，我们从第一性原理计算揭示了铜基半导体中对称性依赖的s-d轨道耦合是导致声子强非简谐效应的原因。与不含铜的化合物相比，铜基材料中铜有一个高能占据的3d轨道，且非常接近自身的4s态。由于热振动，局域对称性降低，铜高能占据的3d轨道与其未占据的4s态产生很强的s-d耦合，降低了晶格振动势垒，增强了声子非简谐性。该研究将有益于理解半导体中电-声子耦合相关的材料物性和热电器件设计。

此外，光伏器件将光转化为电能，对减少温室气体排放和避免环境污染至关重要。目前卤化物钙钛矿半导体是最具潜力的候选材料之一，但是如何有效地改善其热稳定性是一个严峻的挑战。应编辑邀请我们评述了Wang等人利用B位合金法增强卤化物钙钛矿半导体材料热稳定性的工作。他们发现用锗或锡替换B位的铅原子，可以很大程度地调控材料的电子结构，提高卤化物钙钛矿的热稳定性，改善光电性质。

总的来说，调控半导体电子结构性质是调节晶体热动力学性质的重要手段之一。上述有关铜基半导体的工作的合作者还有北京计算科学研究中心魏苏淮教授和中国科学院半导体研究所骆军委研究员等人。