仪器情报，科学家利用HAADF-STEM成像技术揭示超晶格微结构的复杂细节！

【科学背景】

氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，其在蓝光发光二极管等领域的广泛应用使得其成为了研究的热点。然而，尽管镁（Mg）掺杂对于实现p型GaN的成功合成至关重要，但GaN和Mg之间的相互作用细节仍然是未知的。这导致了在利用GaN进行掺杂和构建半导体器件时存在诸多挑战，尤其是关于提高载流子迁移率的问题。

为了应对这一挑战，日本名古屋大学（Nagoya University）Jia Wang，Hiroshi Amano等研究者提出了一种全新的方法：通过在大气压下对镁薄膜和GaN进行退火，实现了单原子镁片自发插入到GaN中，形成了二维Mg插层GaN超晶格结构。这一方法为实现高弹性应变的GaN提供了可能，从而改变了其电子能带结构，极大地增强了其载流子传输性能。此外，这项研究还揭示了插层Mg对GaN极性的独特调控效应，为半导体掺杂和材料工程领域带来了新的思路和方向。

【科学亮点】

（1）本研究首次观察到在大气压下退火镁薄膜在GaN上的情况下，形成了Mg插层GaN超晶格结构，这标志着二维金属插层到体块半导体的首次实例。这一现象被称为2D-Mg掺杂。

（2）通过高角度暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）成像技术，作者逐步放大的图像揭示了Mg插层GaN超晶格结构的复杂细节。每个连续的Mg插层片具有数十纳米的直径，并且每对Mg插层之间观察到5-10层GaN。进一步的原子分辨集成差分相位对比（iDPC）-STEM成像证实了插层片由单原子层组成，而能量色散X射线光谱（EDS）和元素分布图证实了这一单层完全由Mg组成。

（3）此外，插层Mg（Mgi）到原子片中的分离不会破坏六角形GaN的原始晶格对称性。具体地，每个Mg原子被六个N原子包围，占据八面体间隙位，形成了ABCAB注册，而相邻的GaN层则遵循ABAB堆叠序列。这一结构的形成导致了在插层层之间垂直方向上的实质性单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。

【科学图文】

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。

【科学启迪】

本研究揭示了一种全新的现象，即在大气压下，通过在漏磁性氮化镓（GaN）表面退火镁（Mg）薄膜，自发形成了Mg插层GaN超晶格结构。这一发现开辟了一条新途径，可以将二维金属插层到体块半导体中，从而为材料科学和纳米技术领域提供了全新的研究方向。此外，通过对Mg插层GaN超晶格结构的详细表征，作者发现了这种结构具有极高的单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。这为弹性应变工程提供了新的可能性，有望在半导体器件设计和制造中发挥重要作用。、另外，Mg插层还导致了GaN极性的周期性转变，并产生了极化场诱导的净电荷，这为半导体掺杂和导电性增强提供了新的思路。

原文详情：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-x