相比于氮化鎵體材料，二維氮化鎵因其兩字限制效應具有深紫外區(qū)間的帶隙、優(yōu)秀的機械應變能力和獨特的電子傳輸性質(zhì)，在深紫外光電子器件和柔性器件領域具有廣闊的應用前景。然而由于纖鋅礦的體結(jié)構，二維氮化鎵難以通過機械剝離法直接獲得。目前制備大面積的具有超寬帶隙的二維氮化鎵依然是一個大的挑戰(zhàn)。
近日，中國人民大學物理學系陳珊珊教授團隊采用等離子體增強化學氣相沉積系統(tǒng)（PECVD）合成了大面積超薄、寬帶隙的二維氮化鎵。相比于傳統(tǒng)使用的氨氣，該工作采用對環(huán)境友好的氮氣作為氮源，對預先沉積在硅片上的氧化鎵模板進行了氮化（圖1），通過平衡同時發(fā)生的氮等離子體的氮化和刻蝕，實現(xiàn)了雙層氮化鎵的可控制備。實驗發(fā)現(xiàn)，沉積在硅片表面最下層氧化鎵模板由于與硅片（氧等離子體預處理）之間的強相互作用，具有較強的抗等離子體刻蝕的能力，進而氮化形成超薄氮化鎵。由于氮等離子的刻蝕作用，該方法所獲得的超薄氮化鎵厚度穩(wěn)定，不受初始氧化鎵模板厚度的影響。紫外可見吸收光譜的測量發(fā)現(xiàn)所制備的二維氮化鎵具有4.9 eV的超寬帶隙（圖3），與理論預測的結(jié)果相吻合。該實驗工作實現(xiàn)了大面積、寬帶隙、超薄二維氮化鎵的可控合成，有望進一步應用于深紫外光電子領域，也為二維III族氮化物的制備提供新思路和新途徑，并有望擴展到其它二維材料的模板法合成。
圖1 模板法合成二維氮化鎵原理示意圖。
圖2 紫外-可見吸收光譜測量二維氮化鎵帶隙。
該研究成果于1月18日以“Subnanometer-thick 2D GaN film with a large bandgap synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition”為題在線發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（IF=12.732）上，并入選2022 JMCA HOT Papers。論文的共同第一作者為物理系博士生張戈輝和碩士生陳鷺琛，通訊作者為中國人民大學的陳珊珊教授和北京工業(yè)大學的張旭副教授。相關工作得到了國家自然科學基金，北京市自然科學基金和中國人民大學人才培育類基金的資助。
論文信息：https://doi.org/10.1039/D1TA10450K、
來源：中國人民大學物理學系
來源：中國人民大學物理學系
