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研究背景

鉴于半导体材料科学的发展，漏磁性氮化镓（GaN）与镁（Mg）之间的相互作用备受关注。早期，人们通过取代镁原子掺杂到GaN中实现了p型掺杂，从而为白光发射二极管的实现打下了基础。然而，尽管这一突破具有重要意义，但由此产生的问题也显而易见：低空穴迁移率。这一问题限制了GaN等三/氮化物半导体的性能表现。与此同时，应变工程被认为是一种提高GaN载流子迁移率的潜在策略。然而，要在GaN中实现并保持高弹性应变一直是一项艰巨的任务。

另一方面，插层技术在纳米技术领域具有重要意义，它被广泛应用于制造人工层状结构。但通常情况下，插层技术主要应用于范德瓦尔斯材料，因为这些材料具有较弱的相互作用力，使得插入外部原子、离子或分子片更为容易。然而，将原子片插入具有强离子和共价键的单晶体材料，如GaN，被认为是一项极具挑战性的任务。

成果简介

为了解决这一问题，日本名古屋大学Jia Wang，Hiroshi Amano院士等研究者展开了探索，旨在解决两个重要问题：一是如何实现并保持高弹性应变，以提高GaN的载流子迁移率；二是如何在GaN这样的单晶体材料中实现原子片的插层，以构建新的人工层状结构。

相关研究在Nature期刊上发表了题为“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”的最新论文。通过在GaN表面镀覆镁薄膜并进行退火，他们观察到了一种前所未见的现象：镁单原子片自发地插入到GaN晶格中，形成了二维Mg插层GaN超晶格结构。因此，本研究不仅解决了GaN中的两大关键问题，而且为半导体材料科学和纳米技术领域带来了重要的新见解和潜在应用。

资料显示，这篇Nature的第一作者来自同济大学的中国学生王嘉！

研究亮点

(1) 实验首次观察到了在大气压下，通过在GaN表面退火镁薄膜，自发形成了镁插层GaN超晶格结构，这标志着二维金属首次插层到体块半导体，每个镁单层被插入到几层六角形GaN之间。

(2) 实验采用了高角度暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和原子分辨集成差分相位对比（iDPC）-STEM成像等技术，发现了镁插层GaN超晶格的微观结构。通过对显微镜图像的分析，发现单个连续的镁插层片的直径为几十纳米，每对镁插层之间观察到5-10层GaN。

(3) 进一步的能量色散X射线光谱（EDS）和元素分布图的确认表明，镁插层片由单原子层组成，并且完全由镁组成。

(4) 实验还发现，镁层的插层导致了与相邻的六角形GaN层具有ABCAB注册的超晶格结构，每个镁原子位于六个氮原子包围的八面体间隙位。

图文解读

图1：Mg插层的GaN超晶格。

图2. 2D-Mgi插层片诱导的极性转变。

图3. 在间隙插层的GaN超晶格MiGs纳米结构中，高单轴压缩应变。

图4：n型和p型GaN上，GaN超晶格MiGs电学性质。

结论展望

本研究揭示了一种前所未见的二维金属插层到体块半导体的现象，即Mg插层GaN超晶格的形成。这种插层结构不仅突破了传统对于范德瓦尔斯材料才能进行插层的认知，而且在强离子和共价键的单晶体中实现了稳定的插层结构，这为新型纳米材料的设计和合成提供了新思路。

此外，Mg插层GaN超晶格表现出极高的单轴压应变，这为通过弹性应变工程来调控半导体材料的电子性质提供了新的途径。通过改变GaN的电子能带结构，可以有效增强其空穴传输性能，从而有望解决传统III/nitride半导体中低空穴迁移率的限制。

此外，Mg插层还引起了GaN极性的周期性转变，产生了极化场诱导的净电荷，这为调控半导体极性和控制极化场效应提供了新的思路。综上所述，本研究为半导体材料的掺杂和导电性增强提供了新的理论基础和实验方法，并为纳米材料的设计和功能化合成提供了新的思路和策略。

文献信息

Wang, J., Cai, W., Lu, W. et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-

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