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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。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Jia Wang，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中的兩大關鍵問題，而且為半導體材料科學和納米技術(shù)領域帶來了重要的新見解和潛在應用。

資料顯示，這篇Nature的第一作者來自同濟大學的中國學生王嘉！

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注冊的超晶格結(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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