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宽带隙超薄二维氮化镓的可控制备

2022-02-16

相比于氮化镓体材料,二维氮化镓因其两字限制效应具有深紫外区间的带隙、优秀的机械应变能力和独特的电子传输性质,在深紫外光电子器件和柔性器件领域具有广阔的应用前景。然而由于纤锌矿的体结构,二维氮化镓难以通过机械剥离法直接获得。目前制备大面积的具有超宽带隙的二维氮化镓依然是一个大的挑战。

近日,陈珊珊教授团队采用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)合成了大面积超薄、宽带隙的二维氮化镓。相比于传统使用的氨气,该工作采用对环境友好的氮气作为氮源,对预先沉积在硅片上的氧化镓模板进行了氮化(图1),通过平衡同时发生的氮等离子体的氮化和刻蚀,实现了双层氮化镓的可控制备。实验发现,沉积在硅片表面最下层氧化镓模板由于与硅片(氧等离子体预处理)之间的强相互作用,具有较强的抗等离子体刻蚀的能力,进而氮化形成超薄氮化镓。由于氮等离子的刻蚀作用,该方法所获得的超薄氮化镓厚度稳定,不受初始氧化镓模板厚度的影响。紫外可见吸收光谱的测量发现所制备的二维氮化镓具有4.9 eV的超宽带隙(图3),与理论预测的结果相吻合。该实验工作实现了大面积、宽带隙、超薄二维氮化镓的可控合成,有望进一步应用于深紫外光电子领域,也为二维III族氮化物的制备提供新思路和新途径,并有望扩展到其它二维材料的模板法合成。

   

图1 模板法合成二维氮化镓原理示意图。

           

图2 紫外-可见吸收光谱测量二维氮化镓带隙。


该研究成果于1月18日以“Subnanometer-thick 2D GaN film with a large bandgap synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition”为题在线发表在Journal of Materials Chemistry A(IF=12.732)上,并入选2022 JMCA HOT Papers。论文的共同第一作者为物理系博士生张戈辉和硕士生陈鹭琛,通讯作者为中国人民大学的陈珊珊教授和北京工业大学的张旭副教授。相关工作得到了国家自然科学基金,北京市自然科学基金和中国人民大学人才培育类基金的资助。

论文信息:https://doi.org/10.1039/D1TA10450K

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