相比于氮化鎵體材料，二維氮化鎵因其兩字限制效應(yīng)具有深紫外區(qū)間的帶隙、優(yōu)秀的機(jī)械應(yīng)變能力和獨(dú)特的電子傳輸性質(zhì)，在深紫外光電子器件和柔性器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于纖鋅礦的體結(jié)構(gòu)，二維氮化鎵難以通過機(jī)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(gè)大的挑戰(zhàn)。
近日，中國人民大學(xué)物理學(xué)系陳珊珊教授團(tuán)隊(duì)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(duì)環(huán)境友好的氮?dú)庾鳛榈?，?duì)預(yù)先沉積在硅片上的氧化鎵模板進(jìn)行了氮化（圖1），通過平衡同時(shí)發(fā)生的氮等離子體的氮化和刻蝕，實(shí)現(xiàn)了雙層氮化鎵的可控制備。實(shí)驗(yàn)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(yù)處理）之間的強(qiáng)相互作用，具有較強(qiáng)的抗等離子體刻蝕的能力，進(jìn)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(cè)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(yù)測(cè)的結(jié)果相吻合。該實(shí)驗(yàn)工作實(shí)現(xiàn)了大面積、寬帶隙、超薄二維氮化鎵的可控合成，有望進(jìn)一步應(yīng)用于深紫外光電子領(lǐng)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(kuò)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(cè)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(xué)的陳珊珊教授和北京工業(yè)大學(xué)的張旭副教授。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金和中國人民大學(xué)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(xué)物理學(xué)系
來源：中國人民大學(xué)物理學(xué)系
