综 述

1 综述：基于原子级厚度MoSe₂的光发射器件研究进展

原子级薄的层状MoSe₂作为过渡金属硫族化合物 (TMDs) 家族的核心成员，由于其优异的特性，包括可调的带隙、高的激子结合能和振子强度，从而为发光二极管 (LEDs)、场效应晶体管 (FETs)、单光子发射体 (SPEs) 和相干光源 (CLSs) 的光电子应用提供了一个理想平台。此外，层状MoSe₂可实现位于近红外波长的强激子发射，与硅基集成技术相结合，可进一步促进片上光互连、量子计算和量子信息处理等新一代技术的发展。

近日，西北工业大学尚景智教授和武汉大学于霆教授课题组概述了基于二维MoSe₂层的发光器件的最新应用。首先，介绍了原子级薄MoSe₂的激子发射特性及其对物理场依赖特性的最新进展。接下来，重点研究了MoSe₂与各种形式的光学微腔耦合后形成的激子-极化激元和等离激元，概述了基于MoSe₂及其异质结的LEDs、SPEs和CLSs的应用前景。最后，展望了基于MoSe₂的高性能发光器件的机遇和挑战。

该文章以题为“Light-emitting devices based on atomically thin MoSe₂”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. TMDs与不同形式的微腔耦合形成的不同类型的极化激元，包括激子-极化激元(EPs)、等离激元 (PEPs) 和声子-极化激元。

文章信息：

Light-emitting devices based on atomically thin MoSe₂

Xinyu Zhang, Xuewen Zhang, Hanwei Hu, Vanessa Li Zhang, Weidong Xiao, Guangchao Shi, Jingyuan Qiao, Nan Huang, Ting Yu, and Jingzhi Shang 

J. Semicond.  2024, 45(4): 041701  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/041701

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研究论文

2 高压下磁性半导体Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂中的反常键长拉伸

磁性半导体是破解后摩尔时代难题的候选材料之一，也是《Science》发布的125个重大科学问题之一。磁性半导体中电荷与自旋掺杂“捆绑”是影响其居里温度提升的重要因素之一。中国科学院物理研究所靳常青团队在(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂这一新型的磁性半导体材料体系中，通过等价磁性元素替代引入自旋、非磁性元素掺杂引入电荷，从而实现了电荷与自旋掺杂机制的分离，并获得了230 K的高居里温度。

磁性半导体的高压效应研究由来已久，其中就包括(Ga,Mn)As等经典体系。近日，中国科学院物理研究所靳常青、邓正团队研究了Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂在高压下的结构演化。利用金刚石压砧结合同步辐射XRD，他们在0~50 GPa（1 GPa~1万个大气压强）的范围内观察了材料晶体结构的转变。结果表明，材料在19 GPa左右发生了一个由四方相到塌缩四方相的结构相变。更为有趣的是，虽然材料的晶胞在高压下逐渐被压缩，但是在相变前晶格内的Mn-As化学键随着压力的增加逐渐伸长，这与人们一贯的直观常识相违背。他们认为这里反常的化学键拉伸与材料晶格中层间形成的As-As二聚体相关。相变后Mn-As键长逐渐被压缩，并直到47 GPa的高压下，Mn-As键长被压缩至与常压下接近。

由于Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂中Mn离子提供自旋掺杂，而费米面附近的态密度主要由As的p轨道贡献，因此Mn-As键的构型与p-d交换作用密切相关，将直接影响磁性半导体的居里温度，因此该工作对后续(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂等磁性半导体的高压磁性调控有着重要的指导意义。

该文章作为封面文章，以题为“Anomalous bond lengthening in compressed magnetic doped semiconductor Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂晶体结构随压力的演变。图中标出了若干重要参数。

文章信息：

Anomalous bond lengthening in compressed magnetic doped semiconductor Ba(Zn_0.95Mn_0.05)₂As₂

Fei Sun, Yi Peng, Guoqiang Zhao, Xiancheng Wang, Zheng Deng, and Changqing Jin 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042101  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042101

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3 印记效应对铪基铁电存储器可靠性的影响

铪基铁电存储器（FeRAM）作为新型的非易失存储器，具有读写速度快、耐久性好、抗辐照特性好等优点，在存储、神经元、逻辑计算等领域具有潜在应用前景。然而，印记问题是阻碍铪基铁电存储器商用的可靠性问题之一。印记效应的存在会导致铁电存储器阵列的误读问题，主要是因为与传统铁电材料相比，铪基铁电材料的矫顽场 (E_c) 大一个数量级（1−2 MV/cm），因此铪基铁电电容中，印记引起的矫顽场偏移是一个更严重的问题，并带来了巨大的挑战：一方面，尽管矫顽场的相对变化率并不显著，但矫顽场的绝对变化量也非常大，造成铁电电容读取错误。另一方面，偏移后的矫顽场接近击穿电场，导致操作次数非常有限，器件的耐久性较差。近日，北京超弦研究院王桂磊研究员课题组系统地研究了印记效应对Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）铁电电容可靠性的影响。一方面，他们发现印记效应是影响HZO铁电电容的保持特性的主要因素：虽然印记效应存在极限，铁电电容在经过200 ℃，50小时的烘烤后，矫顽场基本不再飘移，但是铁电电容在经过150 ℃，1小时的烘烤后，大部分器件使用小电压读取时，读取窗口衰退严重。另一方面，印记效应出现在在铁电循环的各个阶段，铁电循环次数越多，印记效应越明显。为此，他们提出了一种传感电路来补偿矫顽场偏移来克服印记效应带来的误读问题，为提高铁电存储器的可靠性提出了一种新的思路。该文章以题为“On the relationship between imprint and reliability in Hf_0.5Zr_0.5O₂ based ferroelectric random access memory”发表在Journal of Semiconductors上。

图1.（a） 印记效应导铁电电容电滞回线飘移前（黑色）后（红色）示意图。（b）使用不同工作电压测试铁电电容的印记效应的实验方案示意图。（c）-（d）经过150 ℃，1小时烘烤前后，铁电电容剩余极化强度的比较。对于使用小电压操作的器件，观察到铁电电容读取窗口的显著退化。

图2.（a）传感电路的设计思路，通过温度传感器来检测铁电电容的环境温度，根据温度调整写入的电压；（b）电路的示意图（c）通过调整写入电压，来调整参考电压，减少高温工作环境对铁电电容的影响。

文章信息：

On the relationship between imprint and reliability in Hf_0.5Zr_0.5O₂ based ferroelectric random access memory

Peng Yuan, Yuting Chen, Liguo Chai, Zhengying Jiao, Qingjie Luan, Yongqing Shen, Ying Zhang, Jibin Leng, Xueli Ma, Jinjuan Xiang, Guilei Wang, and Chao Zhao 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042301  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042301

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4 退火对氮极性GaN肖特基势垒二极管电学性能的影响

纤锌矿GaN晶体沿c轴方向存在金属极性和氮极性两种极性。与被广泛研究的金属极性GaN相比，氮极性GaN在高频毫米波高电子迁移率晶体管（HEMT）制备方面具有较大潜力。这是因为氮极性GaN HEMT等比例缩小器件尺寸以提升器件工作频率时，仍能维持较高的二维电子气（2DEG）面密度和迁移率，有助于实现高的输出功率密度。然而，氮极性GaN表面肖特基金半接触的势垒高度较低，容易引起HEMT器件栅极漏电，影响器件性能。

近日，吉林大学张源涛教授课题组研究了退火处理对氮极性GaN肖特基势垒二极管（SBD）电学性能的影响，以此来评估退火处理对氮极性GaN表面Ni/Au肖特基接触特性的影响。研究发现，退火处理对氮极性GaN表面肖特基接触特性的影响较大。相较于未退火的GaN SBD，通过优化退火温度和时间，氮极性GaN SBD的肖特基势垒高度从0.51 eV增加至0.77 eV，±5 V偏压下的整流比从30增加至7700，理想因子从1.66降低至1.54，−1 V偏压下的漏电流密度从3.8 × 10^-2 A/cm²降低至1.9 × 10^-5 A/cm²。器件性能与文献报道基于SiN_x介质层的MIS结构的氮极性GaN SBD器件相当[Applied Physics Letters 118, 122103 (2021): 肖特基势垒高度0.8 eV，−1 V偏压下的漏电流密度约为10^-5 A/cm²]。而相比与MIS结构肖特基接触，在氮极性GaN表面直接制作肖特基接触电极，有助于增强HEMT器件栅控能力，并简化器件制备工艺。我们的分析结果表明，氮极性GaN SBD肖特基接触特性的改善主要与退火处理降低了金半接触界面态的密度有关。本工作对促进高性能氮极性GaN HEMT器件研制具有积极作用。

该研究结果以“Effect of annealing on the electrical performance of N-polarity GaN Schottky barrier diodes”为题发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 氮极性GaN SBD器件（a）结构示意图和（b）表面光学显微镜照片。

图2. 不同退火（a）时间和（b）温度条件下氮极性GaN SBD的I-V特性曲线。

图3. 基于I-V测试结果并根据Card和Rhoderick方法计算得到的不同退火（a）时间和（b）温度条件下肖特基金半接触界面态密度N_ss和界面态能量分布E_c-E_ss之间的关系，其中E_ss为界面态能量，E_c为导带能量。

文章信息：

Effect of annealing on the electrical performance of N-polarity GaN Schottky barrier diodes

Nuo Xu, Gaoqiang Deng, Haotian Ma, Shixu Yang, Yunfei Niu, Jiaqi Yu, Yusen Wang, Jingkai Zhao, and Yuantao Zhang 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042501  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042501

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5 基于κ(ε)-Ga₂O₃的高性能高速自供电短波紫外探测器

本文展示了基于Pt电极κ(ε)-Ga₂O₃层的高速日盲短波紫外探测器，并对其性质进行了深入研究。κ(ε)-Ga₂O₃层通过卤化物气相外延的方法沉积在图形化蓝宝石衬底的GaN模板层上。在200−370 nm波长范围内，分析了光谱对结构光电性质的依赖性。在波长为200 nm、电压为1 V时，该结构的最大光电流/暗电流比、响应度、探测度和外量子效率分别为180.86 arb. un.、3.57 A/W、10¹² Hz^0.5∙cm∙W⁻¹和2193.6%。光响应增强是由于紫外光照射下，Pt/κ(ε)−Ga₂O₃界面的肖特基势垒降低所致。而Pt/κ(ε)-Ga₂O₃界面上内建电场的存在，使得探测器可以在自供电模式下工作。在波长为254 nm、电压为零时，该结构的响应度和外量子效率分别为0.9 mA/W和0.46%。在自供电模式下，上升和衰减时间均不超过100 ms。

该研究结果以“High-speed performance self-powered short wave ultraviolet radiation detectors based on κ(ε)-Ga₂O₃”为题发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 基于HVPE沉积的κ(ε)-Ga₂O₃层的SBUVD示意图。

文章信息：

High-speed performance self-powered short wave ultraviolet radiation detectors based on κ(ε)-Ga₂O₃

Aleksei Almaev, Alexander Tsymbalov, Bogdan Kushnarev, Vladimir Nikolaev, Alexei Pechnikov, Mikhail Scheglov, Andrei Chikiryaka, and Petr Korusenko 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042502  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042502

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6 通过构建NiO/Ga₂O₃异质结提高垂直Ga₂O₃肖特基二极管电学性能

未来高温、高压和高辐射应用场景中，功率电子器件的使用将起到至关重要的作用。然而传统的硅基器件由于材料本身的限制，在中高压场景的应用具有很大的局限性。近年来，超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）由于具有大的带隙（约4.9 eV）、高的击穿场强度（8 MV/cm）和卓越的巴利加优值（＞3000），因此突显了其在超高压应用领域的巨大潜力。目前，β-Ga₂O₃具有成熟、经济、高质量和大规模衬底和外延材料产品，极大地促进了Ga₂O₃功率电子器件的发展。近日，北京邮电大学李培刚教授课题组联合南京邮电大学唐为华教授课题组利用MOCVD生长技术在国产Ga₂O₃衬底上生长了低掺杂的β-Ga₂O₃外延薄。并在此同质外延材料上制备了没有终端结构的垂直Ga₂O₃肖特基二极管器件，选用三种功函数较大的肖特基金属Au、Ni和Pd作为阳极电极。三种Ga₂O₃肖特基二极管器件相比较，阳极金属为Ni的肖特基二极管器件表现出更好的正向电流输运电性能，具有低的开启电压和超低的漏电流。另外，通过构筑p-NiO/n-Ga₂O₃异质结二极管进一步改善了器件的反向电学性能。对比上述β-Ga₂O₃肖特基二极管，NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管的反向击穿电压进一步得到提高，器件的反向漏电流也得到进一步的降低，数值从3.37 × 10^-6 A/cm²降低到4.82 × 10^-8 A/cm²（图1）。利用TCAD仿真模拟了反向偏压下β-Ga₂O₃肖特基二极管和NiO/Ga₂O₃异质结二极管阳极电极边缘的电场分布情况，进一步证实了NiO的加入有效的减少了阳极电极边缘的电场强度，使得器件表现出更高的耐压能力（图2）。但由于p型的插入，器件的正向导通特性也相应的减弱。因此，在保证正向性能满足的情况下，合理的设计p-NiO薄膜，可以有效地提高耐压并降低反向漏电。这种策略为Ga₂O₃器件在高效率、高功率和高可靠性应用方面提供了更好的保障。该文章以题为“Improvement of Ga₂O₃ vertical Schottky barrier diode by constructing NiO/Ga₂O₃ heterojunction”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. NiO/Ga₂O₃异质结二极管的（a）结构示意图、（b）AFM表面形貌、（c）正向J-V特性曲线、（d）反向J-V特性曲线。

图2.  TCAD模拟β-Ga₂O₃肖特基二极管和NiO/Ga₂O₃异质结二极管阳极边缘电场的分布。

文章信息：

Improvement of Ga₂O₃ vertical Schottky barrier diode by constructing NiO/Ga₂O₃ heterojunction

Xueqiang Ji, Jinjin Wang, Song Qi, Yijie Liang, Shengrun Hu, Haochen Zheng, Sai Zhang, Jianying Yue, Xiaohui Qi, Shan Li, Zeng Liu, Lei Shu, Weihua Tang, and Peigang Li 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042503  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042503

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7 基于Ar等离子体活化键合的GaAs和Si晶圆异质集成

硅（Si）作为第一代半导体材料，直接促进了集成电路的发展，目前仍被广泛应用于电子信息和太阳能光伏等产业，成为推动微电子技术革新和高速发展的材料基石。但由于Si是间接带隙半导体材料，这就限制了其应用领域。随着芯片特征尺寸的持续减小，电子器件的发展已经遇到了瓶颈。传统意义上的摩尔定律被“超越摩尔定律”取代。基于其它材料如化合物半导体、宽禁带半导体、压电薄膜以及铁电薄膜材料制备出来的器件和模块正成为信息时代不可或缺的部分。砷化镓（GaAs）作为第二代半导体材料，具有光电转换效率高、电子迁移率高（Si的5~6倍）、频率高等优点，已经被广泛应用于半导体激光器、微波器件、高电子迁移率晶体管（HEMT）和空间太阳能电池等领域。但是，传统基于GaAs体材料制备出来的电子器件存在成本高、衬底电流易泄露、源/结电容较高等问题，这使得GaAs材料的性能受到影响。如果将GaAs材料集成到Si衬底上，制备出Si基GaAs异质结，将会克服GaAs材料自身的缺点，大大提高材料和器件性能，进而能够推动微电子技术继续向前发展。近日，为了探索硅基GaAs异质集成的解决方案，无锡学院郭业才教授课题组黄瑞和北京工业大学王智勇教授等人采用Ar等离子体活化键合技术实现了4英寸GaAs和Si高质量键合。利用原子力显微镜和亲水角测定仪表征了表面活化前后粗糙度和亲水角的变化，讨论了Ar等离子体活化对表面形貌的影响。研究了不同退火温度下GaAs/Si晶圆的键合强度，当退火温度为300 ℃时，键合强度达到最大为6.2 MPa。此外，基于有限元分析建立了GaAs/Si晶圆的热应力模型，获得不同温度下界面等效应力和形变量的分布。键合界面的剪切应力与剥离应力在晶片中间区域应力分布稳定，但在边缘区域等效应力会急剧增大。晶圆的形变量与退火温度成正比，在400 ℃的退火温度下，GaAs/Si晶圆最大凸起量为3.6 mm。利用透射电子显微镜观察到GaAs/Si晶圆的界面是致密的且无缺陷。通过X射线能量色散谱对界面元素的表征可知界面处的元素会发生相互扩散现象，这有利于提高界面的键合强度。键合界面存在厚度约为5 nm左右的非晶过渡层，该层主要由Ga、As、O和Si元素构成。Si基GaAs异质结的制备能够丰富集成电路发展所需的材料种类，提升材料和器件性能，推动微电子技术的发展。该文章以题为“Hybrid bonding of GaAs and Si wafers at low temperature by Ar plasma activation” 发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) GaAs/Si键合界面的SEM图像；(b) GaAs/Si键合界面涂覆有保护性Pt层；(c) GaAs/Si样品被减薄；(d) GaAs/Si键合界面示意图；(e) As元素在键合界面的分布；(f) Ga元素在键合界面处的分布；(g) Si元素在键合界面处的分布；(h) GaAs/Si晶片的非晶过渡层的元素组成。

文章信息：

Hybrid bonding of GaAs and Si wafers at low temperature by Ar plasma activation

Rui Huang, Zhiyong Wang, Kai Wu, Hao Xu, Qing Wang, and Yecai Guo 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042701  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042701

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8 量子密钥分发系统的单光子探测器强光致盲攻击防护方案

基于量子力学基本原理的量子密钥分发（QKD）系统具有信息论安全水平，实际器件的不完美特性使得QKD系统面临诸多安全威胁。特别是接收端的单光子探测器存在多种攻击手段，强光致盲攻击是目前最为成熟的一种攻击方式，其原理是通过投射强光使得雪崩光电二极管（APD）从盖革模式退化为线性模式，进而操控单光子探测器的响应，并在攻击成功时能够获取全部密钥信息。实用化的QKD系统针对强光致盲攻击的主要防护策略是监测APD的偏置电流，当偏置电流增大时发出攻击警报，但此方案的检测带宽低，仅可针对连续光致盲攻击进行防护，无法对脉冲光致盲攻击进行防护。近日，科大国盾量子技术股份有限公司研发团队在单光子探测器中设计了偏流检测和雪崩幅度检测相结合的强光致盲攻击防护案。他们系统性研究了连续强光和脉冲强光注入条件下的单光子探测器的响应，展示了不同注入光条件下偏流检测值和强光雪崩检测计数值的变化情况，对比了偏流检测和雪崩幅度检测致盲攻击防护的有效性。偏流检测可有效识别连续光致盲攻击，雪崩幅度检测可以有效识别所有脉冲光致盲攻击，两种检测手段相结合应用于QKD系统可有效抵御各类强光致盲攻击，当发现攻击行为时，系统可及时发出告警并停止QKD过程，避免量子密钥信息泄露。他们的研究成果实现了对不同类型致盲攻击光的检测及防护全覆盖，具有原理清晰、电路结构简单、易于工程实现的特点，对促进QKD系统现实安全性提升起到了积极的作用。该文章以题为“Countermeasure against blinding attack for single-photon detectors in quantum key distribution”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 具备连续光致盲攻击检测（偏流检测）和脉冲光致盲攻击检测（雪崩幅度检测）的单光子探测器实现方案。

图2. 不同强度脉冲光攻击条件下探测器响应，探测计数值（黑色）、偏流检测值（蓝色）（a）攻击脉冲宽度1 ns；（b）攻击脉冲宽度10 ns；（c）注入门内攻击脉冲宽度50 ps；（d）注入门外攻击脉冲宽度50 ps。

文章信息：

Countermeasure against blinding attack for single-photon detectors in quantum key distribution

Lianjun Jiang, Dongdong Li, Yuqiang Fang, Meisheng Zhao, Ming Liu, Zhilin Xie, Yukang Zhao, Yanlin Tang, Wei Jiang, Houlin Fang, Rui Ma, Lei Cheng, Weifeng Yang, Songtao Han, and Shibiao Tang 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042702  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042702

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9 富锂型过渡金属氧化物正极材料中结构退化的电子结构起源: 以Li₂MnO₃和Li₂RuO₃为例

过去20年中，人们对锂离子电池日益增长的需求不仅刺激了锂电产业的快速发展，同时也对现有的锂电技术提出了新的挑战。其中，一个尤为关键的问题是如何有效提高锂离子电池，尤其是其正极材料的能量密度。近年来，一类新型的正极材料——富锂型过渡金属氧化物（LR-TMOs）材料的出现为解决这一难题带来了新的希望：与传统的正极材料只能利用阳离子的氧化还原反应不同，LR-TMOs材料可有效利用阴离子的氧化还原反应，从而大大提高其电荷容量及能量密度。然而，目前困扰着人们的一个关键问题是，伴随着其阴离子的氧化还原反应，LR-TMOs经常会有结构退化发生，这严重影响了此类材料的循环稳定性和实用性。深圳大学张鹏课题组利用第一性原理计算的方法详细研究了两种具有代表性的LR-TMOs材料，Li₂MnO₃和Li₂RuO₃，的电子结构、缺陷性质、以及它们对材料结构和循环稳定性的影响。该研究的计算结果表明，Li₂MnO₃和Li₂RuO₃的结构和循环稳定性与它们的电子结构，特别是它们的最高占据态(HOS)的能量，密切相关，因为其在很大程度上决定了这些材料的缺陷性质。对于具有较低能量HOS的Li₂RuO₃，该研究发现，在锂离子脱出过程中，其主体结构会自发形成各种缺陷，从而严重影响了其结构和循环稳定性。这些缺陷的产生主要应归因于电荷从缺陷能级向HOS跃迁会使体系获得额外能量，从而抵消了因产生缺陷所需消耗的能量，即文中所提的缺陷电荷转移机理。而与之相反是，对于具有较高能量HOS的Li₂RuO₃，该研究发现缺陷电荷转移为体系提供的能量不足以弥补缺陷形成所需的能量，因而，材料在锂离子脱出过程能够保持很好的结构和循环稳定性。通过对比Li₂MnO₃和Li₂RuO₃这两种典型材料，该研究揭示了LR-TMOs结构退化发生的电子结构起源，从而为人们进一步优化此类材料的循环稳定性提供了有价值的理论参考。该文章以题为“Electronic origin of structural degradation in Li-rich transition metal oxides: The case of Li₂MnO₃ and Li₂RuO₃”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) Li₂MnO₃的稳定化学势区域。(b) Li₂MnO₃中各种缺陷的形成能与费米能级的关系。(c) Li₂MnO₃中的电荷转移机制示意图。

文章信息：

Electronic origin of structural degradation in Li-rich transition metal oxides: The case of Li₂MnO₃ and Li₂RuO₃

Peng Zhang 

J. Semicond.  2024, 45(4): 042801  doi: 10.1088/1674-4926/45/4/042801

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