低维超薄AlN的超宽带隙

III族氮化物半导体材料具有深紫外至近红外大范围可调的直接带隙能量,被广泛应用于固态照明、电力电子、量子通信和消毒杀菌等多个领域。近年来,具有稳定二维层状结构的六方氮化硼(h-BN)的出现,为氮化物材料体系的探究与发展开辟了新方向。理论预测表明,当氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)由三维体材料变化至类似于h-BN的二维原子层时,其禁带宽度在量子限制效应作用下将急剧展宽,而远大于纤锌矿结构体材料的本征带隙能量。然而,不同于h-BN的sp2杂化,纤锌矿结构稳定的sp3杂化,使通过晶体剥离或范德瓦尔斯外延方法获得原子层级别的材料十分困难。同时,生长于体材料之间的原子层结构在强应变场下难以体现其本征的二维特性。关于这类材料的性质探究依旧停留在理论模拟计算方面,缺乏有力实验证据的佐证。制备具有原子层厚度的自支撑氮化物材料,对物理性质探究及其应用拓展具有重要意义。

图:(a)AlN纳米管制备流程示意图;(b)壁厚分别为8、4和2 ML的AlN纳米管的电子能量损失谱。

北京大学物理学院宽禁带中心王新强、沈波课题组利用超高真空分子束外延技术,及选择性热蒸发方法,实现了高质量原子层级别AlN纳米管的制备,并证实其具有大于体材料的禁带宽度。由于GaN(2.20 eV)和AlN(2.88 eV)键能上的显著差异,其对应的热分解激活能分别为379和414 kJ×mol-1,在超高真空(压强<10-6 mbar)下的分解温度分别为850和1040 °C。利用该特点,将垂直生长于Si衬底上的GaN/AlN核壳纳米线结构分散,并于超高真空腔体中选择合适的温度进行热蒸发处理,GaN核纳米线即可从底端开口处逐渐分解、移除,从而获得纯净的AlN纳米管。实验证实通过热蒸发形成的纳米管保留了核壳纳米线的纤锌矿结构,具有六边形端面,而AlN纳米管的壁厚可在纳米线外延过程中精确控制到原子层级别。利用X射线光电子能谱(XPS)和高空间分辨电子能量损失谱(EELS)从宏观和微观尺度分析了AlN纳米管禁带宽度随壁厚的演变趋势,发现随着壁厚的下降带隙能量显著增大,在壁厚为2个原子层时达到9.2 eV,与理论预测相符。第一性原理计算表明该大带隙能量源于一维超薄原子层结构的强量子限制效应。

此项研究表明,III族氮化物半导体材料的禁带宽度随着维度的变化极具拓展空间,同时也为低维氮化物的材料器件研究提供了新思路,并有望为基于氮化物二维材料的功能化器件研制提供新选择。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201902608)上,文章第一作者为王平博士。