中國粉體網(wǎng)訊 二維（2D）材料,，特別是石墨烯和氮化物的異質(zhì)集成，為半導(dǎo)體器件提供了新機(jī)遇,，在制備柔性可穿戴設(shè)備以及可轉(zhuǎn)移電子和光子器件領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛,。由于石墨烯表面自由能低，氮化物在石墨烯表面不易成核,，采用等離子體預(yù)處理或生長緩沖層的方法難以獲得高質(zhì)量的單晶氮化物,。最近，一種新的外延技術(shù)——遠(yuǎn)程外延有望解決這一難題,。該技術(shù)利用石墨烯的“晶格透明性”，襯底和外延層產(chǎn)生遠(yuǎn)程的靜電相互作用,，憑借這種相互作用,，外延層透過石墨烯可以“復(fù)制”襯底的晶格信息，從而保證外延層的晶格取向一致性,。然而,，關(guān)于氮化物遠(yuǎn)程外延的生長機(jī)制和界面作用關(guān)系的相關(guān)報(bào)道較少。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士研究生屈藝譜,、副研究員徐俞,、研究員徐科，以及蘇州大學(xué)教授曹冰合作,，在ACS Applied Materials & Interfaces上,，發(fā)表了題為Long-Range Orbital Hybridization in Remote Epitaxy: The Nucleation Mechanism of GaN on Different Substrates via Single-Layer Graphene的論文�,？蒲袌F(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）,，在兩種覆蓋單層石墨烯（SLG）的極性襯底（Al2O3和AlN）上實(shí)現(xiàn)了氮化鎵成核層（GaN NLs）的遠(yuǎn)程外延。研究發(fā)現(xiàn),，襯底極性對石墨烯上GaN的成核密度,、表面覆蓋率和擴(kuò)散常數(shù)起到關(guān)鍵作用。研究考慮到表面覆蓋和襯底污染引起的成核信息差異,，通過縮放的成核密度校正了這種誤差,，得到了襯底極性和GaN成核密度的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)晶特性分析表明,，襯底和外延層的界面外延關(guān)系不受單層石墨烯的影響,，與傳統(tǒng)外延的取向關(guān)系一致。為了揭示成核信息差異背后的物理機(jī)理,，理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)襯底增強(qiáng)了單層石墨烯上的Ga和N原子的吸附能,，且極性較強(qiáng)的AlN相比Al2O3的吸附能更大，AlN和吸附原子Ga之間存在更高的差分電荷密度（CDD）,。進(jìn)一步,，分波態(tài)密度（PDOS）分析發(fā)現(xiàn),，盡管吸附原子Ga和襯底相距4-5埃，Al2O3和AlN中Al-3p和Ga-4p軌道在費(fèi)米能級附近仍存在軌道雜化,。研究提出,，在遠(yuǎn)程外延中，單層石墨烯的存在不影響襯底和吸附原子之間的化學(xué)相互作用,，這種遠(yuǎn)程軌道雜化效應(yīng)正是在極性襯底上遠(yuǎn)程外延GaN NLs的本質(zhì),。通過導(dǎo)電膠帶可以輕松剝離GaN NLs，且剝離后的襯底表面沒有機(jī)械損傷,，有望發(fā)展出一種高質(zhì)量襯底的低成本制備技術(shù),。
該研究討論了石墨烯調(diào)控的氮化鎵遠(yuǎn)程外延機(jī)理，創(chuàng)新性地提出了遠(yuǎn)程軌道雜化的概念,，探討了GaN和襯底之間的界面關(guān)系和界面耦合特性,，揭示了遠(yuǎn)程外延的物理和化學(xué)機(jī)理，為快速,、大面積制備單晶GaN薄膜拓寬了思路,。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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