新普京澳门娱乐场网站站app人工微结构和介观物理国家重点实验室王新强教授、新普京澳门娱乐场网站站app电子显微镜实验室王涛高级工程师与美国橡树岭国家实验室Lucas Lindsay教授合作,实现了对GaN棱柱状堆垛层错(PSF)中缺陷局域声子的原子尺度观测。相关研究成果以“GaN中缺陷引起的局域振动的原子尺度可视化”(Atomic-scale visualization of defect-induced localized vibrations in GaN)为题,于2024年10月20日发表在《自然·通讯》(Nature Communications)。
Ⅲ族氮化物半导体材料因其高电子迁移率、大击穿场强和可调直接带隙等特性,在高频、高功率光电器件和电力电子器件等领域展现出巨大的应用潜力。随着器件尺寸的缩小、集成度的提升及功率密度的增加,高效的热输运对于确保器件可靠性、防止过热和提高器件性能至关重要。Ⅲ族氮化物半导体中的热输运由声子主导,缺陷会导致明显的声子散射,抑制热输运。而传统光学测量方法在空间和动量分辨率上的限制,难以直接探测缺陷处的局域声子行为,因此,探究缺陷的纳米尺度声子行为,成为设计高效热管理器件的关键。
针对对上述科学问题,新普京澳门娱乐场网站站app和美国橡树岭国家实验室的联合团队使用扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)技术,结合高角环形暗场(HAADF)成像及EELS谱与第一性原理计算,精确识别了GaN中PSF缺陷的原子结构,并观测到三种声子模式:局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式。其中局域缺陷模式由PSF中心原子的局域振动产生,受限体模式源于缺陷两侧原子的振动,而完全扩展模式源于整个系统所有原子的集体振动。此外,研究团队直接测量了PSF缺陷的声子色散,并与体GaN的声子色散进行了对比,发现PSF缺陷中声子带隙减小,声子群速度下降,这增强了三声子散射,导致热导率的降低。相关研究为缺陷声子的模式分辨提供了直接证据,同时为Ⅲ族氮化物材料的热管理策略提供了新思路。
图1. PSF中缺陷声子的原子分辨声子谱和第一性原理计算。(a) PSF(红色)和体GaN(蓝色)中的实验声子谱。(b) PSF(红色)和体GaN(蓝色)中的计算声子谱。(c) PSF中三种类型的缺陷声子模式:局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式的可视化。图中由上到下显示了计算的振动特征向量,PSF的HAADF图像和对应范围的实验测量原子级分辨声子强度分布图。
新普京澳门娱乐场网站站app博士生姜海龄为文章第一作者,王新强、王涛、Lucas Lindsay为论文共同通讯作者,新普京澳门娱乐场网站站app葛惟昆教授和沈波教授参与和指导了本课题的工作。新普京澳门娱乐场网站站app高鹏教授和时若晨博雅博士后对本课题做了重要指导。合作者还包括新普京澳门娱乐场网站站app王平研究员和清华大学深圳国际研究生院孙波教授等。
上述研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、新普京澳门娱乐场网站站app电子显微镜实验室、新普京澳门娱乐场网站站app高性能计算平台等支持。
论文原文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53394-z