自二维(2D)材料石墨烯问世以来,科学家们在过去的十年里发现了许多2D材料,如磷烯、过渡金属二硫属化合物等(点击阅读相关)。通常,2D材料的制备来自于片层堆积的三维(3D)固体,由于片层是通过弱范德华力堆积,因而科学家可以通过机械、化学或是电化学方法从这些多层结构中剥离出其2D形式。然而,对于缺少这种多层结构的晶体,至今还没有明确的方法从中剥离出二维材料。例如,四面体配位状态的锌矿结构的氮化镓(GaN),人们就很难剥离出二维结构。
日前,来自美国宾夕法尼亚州立大学的Joan Redwing教授和Joshua Robinson教授利用外延石墨烯,通过迁移增强的封装生长法(migration-enhanced encapsulated growth,MEEG)首次成功合成了GaN二维材料。该研究成果发表在Nature Materials上。(Two-dimensional gallium nitride realized via graphene encapsulation. Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/NMAT4742)。
Joan Redwing教授(上左)和Joshua Robinson教授(上右)利用外延石墨烯封装合成2D GaN(下)。图片来源:Pennsylvania State University
研究人员将SiC基底加热使表面的硅升华,利用留下的富含碳的表面重建成石墨烯结构。接着通过加氢作用,对表面未饱和的悬挂键进行钝化,形成双石墨烯层。以这种方式创建的石墨烯的优势在于,两种材料接触的界面是完全平滑的。然后,使三甲基镓在其表面加热分解,形成的镓原子可以穿过石墨烯层,嵌入到SiC与石墨烯的夹层中,最后通过氨解作用,使氮原子以同样的方式进入到夹层中,与镓原子反应形成2D GaN。研究人员发现,若是没有石墨烯封装层,最终只能形成3D GaN。
图示2D GaN的形成过程。图片来源:Nature Mater.
研究人员通过高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察到合成的2D GaN由两个亚层组成,且置于SiC基底与石墨烯的夹层之间。元素分布图上显示的Ga与N元素进一步证实了2D GaN的形成。
通过电镜观察到的2D GaN的截面及其元素分布图。图片来源:Nature Mater.
可是Ga和N原子是如何穿过石墨烯进入到夹层中的呢?通过进一步研究,研究人员观察到石墨烯表面有大量的缺陷以及皱褶,这有利于Ga原子从石墨烯渗透进入夹层中。
图示原子从石墨烯层嵌入的途径。图片来源:Nature Mater.
研究人员对2D GaN的电子及光电性质进行了研究,他们通过理论计算与实验均得出2D GaN的直接带隙约为5 eV,远远高于3D块状GaN(3.42 eV),这可能是由二维材料的量子限域效应所致。3D GaN是一个宽带隙半导体,相较于传统半导体材料,它可以允许设备在超高电压、频率或温度下运行。而当GaN以2D形式存在时,它从一个宽带隙材料变成超宽带隙材料,这使其具备更高的增压性能。
由理论计算和实验测试2D GaN的直接带隙。图片来源:Nature Mater.
文章第一作者Zakaria Balushi博士介绍说,“我们所采用的MEEG法,使用石墨烯层来协助2D GaN的生长,并使其稳定,形成一种坚固的结构。”
伦斯勒理工学院的Nikhil Koratkar教授对此评论道,“利用石墨烯封装法不仅能合成2D GaN超薄片层结构,提高其在电子和光电应用上的性能,还可以将这种方拓展到合成其他传统方法难以合成的2D材料。我相信MEEG法将成为未来发现2D材料的一个强大的工具。”
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4742.html
(本文由冰供稿)