【新闻中心讯】燕山大学亚稳材料全国重点实验室高压科学中心田永君院士团队与天津工业大学研究人员合作，发现富硼半导体材料AlCu1–δB25在高压下展现出反常的带隙增大和光电性能的协同提升，并理论解释了背后的物理机制，为极端条件下的光电器件提供了全新的材料体系和设计思路。研究成果以“压缩富硼半导体中光电性能的大幅增强”为题（Giant enhancement of optoelectronic properties in compressed boron-rich semiconductors），于2026年1月27日在线发表于《国家科学评论》杂志（National Science Review, nwag051, 2026）。
在光通信、深空探测及核设施等极端环境中，传统光电器件常因高压、强辐射或剧烈温度变化而性能衰减，甚至失效，成为制约相关技术发展的瓶颈。通常，压力会压缩晶格间距，增强原子轨道间的耦合，导致能带展宽，半导体带隙缩小，甚至引发从绝缘体到金属的转变（即Wilson转变），进而引起暗电流剧增、信噪比下降。研究人员合成了一种名为AlCu1–δB25的富硼半导体，其结构由B12团簇组成三维骨架，铝原子和铜原子填充其间。这种独特的结构不仅具有2 eV的带隙和较高的载流子迁移率，还具有30 GPa的维氏硬度和1400 ℃的耐热性。更奇特的是，在高达30 GPa的压力范围内，该材料未发生结构相变，其光学带隙却从常压下的约1.96 eV持续扩大至2.23 eV。这一“反Wilson效应”直观地反映在样品颜色变化上——从深红逐渐变浅，表明其对高能光子的透过能力增强。更宽的带隙意味着本征载流子浓度降低，暗电流受到有效抑制，为高灵敏度探测创造了条件。在高压条件下，基于AlCu1–δB25的光电器件表现出多维度的性能突破：暗电流下降了四个数量级，光开关比提升了超过10万倍，响应时间从秒级锐减至毫秒级。这意味着器件在承受巨大压力时，反而变得更加高效和精准。为解释反常的反Wilson效应，研究团队借助第一性原理计算揭示了其物理机制。在AlCu1–δB25中，导带底主要由铝的3s轨道贡献。随着压力增加，铝与邻近硼原子距离缩短，Al-3s与B-2s轨道之间的相互作用增强，产生轨道排斥效应，将Al-3s能级“推升”，从而抬高了导带底的位置，最终导致带隙扩大。
压力并非材料的“天敌”，在合适的结构框架下，它甚至可以成为性能的“助推器”。AlCu1–δB25在极端条件下的优异表现，不仅丰富了高压物理与半导体物理的交叉认知，也为未来开发适用于深海、深空等复杂环境的高性能光电器件开辟了新路径。
AlCu1–δB25结构及其高压下的性能表征
a,AlCu1–δB25的晶体结构模型；b, 压力下带隙变化；c, 压力下暗电流和光电流变化；d, 压力下光电响应变化
（以上照片由亚稳材料全国重点实验室及科学技术研究院提供）
该工作得到国家自然科学基金（52025026, 52288102, 52090020, 52372157, 52571229, 52202155, 52403391）、河北省自然科学基金（E2025203149, A2025203019）等项目的资助。博士生黄明星、叶坤副教授、侯晶钰博士后为论文的共同第一作者，翁晓基博士后、柯峰教授和周向锋教授为共同通讯作者。（编辑 王艳）
