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Nature子刊：二维氮化镓材料的首次合成
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）