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研究背景

鑒于半導體材料科學的發(fā)展，漏磁性氮化鎵（GaN）與鎂（Mg）之間的相互作用備受關(guān)注。早期，人們通過取代鎂原子摻雜到GaN中實現(xiàn)了p型摻雜，從而為白光發(fā)射二極管的實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。然而，盡管這一突破具有重要意義，但由此產(chǎn)生的問題也顯而易見：低空穴遷移率。這一問題限制了GaN等三/氮化物半導體的性能表現(xiàn)。與此同時，應變工程被認為是一種提高GaN載流子遷移率的潛在策略。然而，要在GaN中實現(xiàn)并保持高彈性應變一直是一項艱巨的任務。

另一方面，插層技術(shù)在納米技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義，它被廣泛應用于制造人工層狀結(jié)構(gòu)。但通常情況下，插層技術(shù)主要應用于范德瓦爾斯材料，因為這些材料具有較弱的相互作用力，使得插入外部原子、離子或分子片更為容易。然而，將原子片插入具有強離子和共價鍵的單晶體材料，如GaN，被認為是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。

成果簡介

為了解決這一問題，日本名古屋大學王嘉，諾貝爾獎得主Hiroshi Amano院士等研究者展開了探索，旨在解決兩個重要問題：一是如何實現(xiàn)并保持高彈性應變，以提高GaN的載流子遷移率；二是如何在GaN這樣的單晶體材料中實現(xiàn)原子片的插層，以構(gòu)建新的人工層狀結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究在Nature期刊上發(fā)表了題為“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”的最新論文。

通過在GaN表面鍍覆鎂薄膜并進行退火，他們觀察到了一種前所未見的現(xiàn)象：鎂單原子片自發(fā)地插入到GaN晶格中，形成了二維Mg插層GaN超晶格結(jié)構(gòu)。因此，本研究不僅解決了GaN中的兩大關(guān)鍵問題，而且為半導體材料科學和納米技術(shù)領(lǐng)域帶來了重要的新見解和潛在應用。

研究亮點

(1) 實驗首次觀察到了在大氣壓下，通過在GaN表面退火鎂薄膜，自發(fā)形成了鎂插層GaN超晶格結(jié)構(gòu)，這標志著二維金屬首次插層到體塊半導體，每個鎂單層被插入到幾層六角形GaN之間。

(2) 實驗采用了高角度暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM）和原子分辨集成差分相位對比（iDPC）-STEM成像等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了鎂插層GaN超晶格的微觀結(jié)構(gòu)。通過對顯微鏡圖像的分析，發(fā)現(xiàn)單個連續(xù)的鎂插層片的直徑為幾十納米，每對鎂插層之間觀察到5-10層GaN。

(3) 進一步的能量色散X射線光譜（EDS）和元素分布圖的確認表明，鎂插層片由單原子層組成，并且完全由鎂組成。

(4) 實驗還發(fā)現(xiàn)，鎂層的插層導致了與相鄰的六角形GaN層具有ABCAB的超晶格結(jié)構(gòu)，每個鎂原子位于六個氮原子包圍的八面體間隙位。

圖文解讀

圖1：Mg插層的GaN超晶格。

圖2. 2D-Mgi插層片誘導的極性轉(zhuǎn)變。

圖3. 在間隙插層的GaN超晶格MiGs納米結(jié)構(gòu)中，高單軸壓縮應變。

圖4：n型和p型GaN上，GaN超晶格MiGs電學性質(zhì)。

結(jié)論展望

本研究揭示了一種前所未見的二維金屬插層到體塊半導體的現(xiàn)象，即Mg插層GaN超晶格的形成。這種插層結(jié)構(gòu)不僅突破了傳統(tǒng)對于范德瓦爾斯材料才能進行插層的認知，而且在強離子和共價鍵的單晶體中實現(xiàn)了穩(wěn)定的插層結(jié)構(gòu)，這為新型納米材料的設計和合成提供了新思路。

此外，Mg插層GaN超晶格表現(xiàn)出極高的單軸壓應變，這為通過彈性應變工程來調(diào)控半導體材料的電子性質(zhì)提供了新的途徑。通過改變GaN的電子能帶結(jié)構(gòu)，可以有效增強其空穴傳輸性能，從而有望解決傳統(tǒng)III/nitride半導體中低空穴遷移率的限制。

此外，Mg插層還引起了GaN極性的周期性轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了極化場誘導的凈電荷，這為調(diào)控半導體極性和控制極化場效應提供了新的思路。綜上所述，本研究為半導體材料的摻雜和導電性增強提供了新的理論基礎(chǔ)和實驗方法，并為納米材料的設計和功能化合成提供了新的思路和策略。

文獻信息

Wang, J., Cai, W., Lu, W. et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-

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