中国学者出手，联手诺贝尔物理奖得主，发重磅Nature

第一作者：王嘉

通讯作者：王嘉， Hiroshi Amano

通讯单位：名古屋大学

Hiroshi Amano，中文名天野浩，现任名古屋大学未来材料与系统研究所教授，中国工程院外籍院士，日本工程院院士，美国国家工程院院士，２０１４年获诺贝尔物理奖。

王嘉，名古屋大学高等研究院特聘助理教授、材料与可持续性系统研究院特聘助理教授。

论文速览

通过掺杂替代镁（Mg）原子展示出p-型氮化镓（GaN）以来，诸如蓝色发光二极管等迅速而全面的发展，已显著地塑造了我们的现代生活，并为实现更加碳中和的社会做出了贡献。然而，GaN与Mg之间的相互作用的细节仍然大多未知。

本研究观察到，通过在GaN上退火金属Mg膜，可自发形成Mg插层的GaN超晶格。这是首次观测到二维（2D）金属嵌入半导体中，每个Mg单层被精确地嵌入到六角GaN的数个单层之间。该过程以间隙插层为表征，导致垂直于间隙层的大量单轴压缩应变。因此，Mg插层的GaN超晶格中的GaN层表现出超过-10%的异常弹性应变（相当于超过20 GPa的应力），是薄膜材料中记录的最高应变之一。应变改变了电子能带结构，并显著增强了压缩方向上的空穴传输。

此外，Mg片诱导了GaN极性的周期性转变，产生了由极化场诱导的净电荷。这些特性为半导体掺杂和电导增强，以及纳米材料和金属-半导体超晶格的弹性应变工程提供了新的见解。

图文导读

图1：Mg插层GaN超晶格的横截面高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。

图2：由2D-Mg片诱导的极性转变。

图3：MiGs纳米结构中高单轴压缩应变的插层情况。

图4：在n型和p型GaN上MiGs的电学性质。

总结展望

本研究的亮点在于首次观测到二维金属Mg插层嵌入GaN体半导体中，形成了具有异常弹性应变的超晶格结构。该发现不仅为理解GaN与Mg之间的相互作用提供了新的视角，也为半导体掺杂、电导增强以及纳米材料的弹性应变工程提供了重要的科学依据。特别是，通过Mg插层诱导的极化场变化，为实现极化诱导的空穴掺杂提供了新的思路。

此外，研究还发现，通过退火处理，可在GaN中形成具有高弹性应变的MiGs结构，这种应变改变了电子能带结构，并显著增强了空穴的传输性能。这些发现有望推动高性能电子器件的发展，特别是在提高半导体器件的电导和载流子迁移率方面具有重要的应用潜力。

文献信息

标题：Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices

期刊：NatureDOI：10.1038/s41586-024-07513-x