相比於氮化鎵體資料，二維氮化鎵因其兩字限制效應具有深紫外區間的帶隙、優秀的機械應變能力和獨特的電子傳輸性質，在深紫外光電子器件和柔性器件領域具有廣闊的應用前景。然而由於纖鋅礦的體結構，二維氮化鎵難以通過機械剝離法直接獲得。現時製備大面積的具有超寬帶隙的二維氮化鎵依然是一個大的挑戰。
近日，陳珊珊教授團隊採用电浆增强化學氣相沉積系統（PECVD）合成了大面積超薄、寬帶隙的二維氮化鎵。相比於傳統使用的氨氣，該工作採用對環境友好的氮氣作為氮源，對預先沉積在矽片上的氧化鎵範本進行了氮化（圖1），通過平衡同時發生的氮电浆的氮化和刻蝕，實現了雙層氮化鎵的可控制備。實驗發現，沉積在矽片表面最下層氧化鎵範本由於與矽片（氧电浆預處理）之間的强相互作用，具有較强的抗电浆刻蝕的能力，進而氮化形成超薄氮化鎵。由於氮等離子的刻蝕作用，該方法所獲得的超薄氮化鎵厚度穩定，不受初始氧化鎵範本厚度的影響。紫外可見吸收光譜的量測發現所製備的二維氮化鎵具有4.9 eV的超寬帶隙（圖3），與理論預測的結果相吻合。該實驗工作實現了大面積、寬帶隙、超薄二維氮化鎵的可控合成，有望進一步應用於深紫外光電子領域，也為二維III族氮化物的製備提供新思路和新途徑，並有望擴展到其它二維資料的範本法合成。
圖1範本法合成二維氮化鎵原理示意圖。
圖2紫外-可見吸收光譜量測二維氮化鎵帶隙。
該研究成果於1月18日以“Subnanometer-thick 2D GaN film with a large bandgap synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition”為題線上發表在Journal of Materials Chemistry A（IF=12.732）上，並入選2022 JMCA HOT Papers。論文的共同第一作者為物理系博士生張戈輝和碩士生陳鷺琛，通訊作者為中國人民大學的陳珊珊教授和北京工業大學的張旭副教授。相關工作得到了國家自然科學基金，北京市自然科學基金和中國人民大學人才培育類基金的資助。
論文資訊：https://doi.org/10.1039/D1TA10450K