玻璃衬底具备大尺寸、价格低廉等自身优势,但由于表面缺乏有序的原子排列,无法约束外延材料的晶向,所以玻璃上生长的材料往往呈取向随机的多晶,无法拼接成单晶薄膜。为此,研究人员基于范德华外延机制的考虑,在生长氮化物之前首先在玻璃上铺一层石墨烯,借助石墨烯晶格的引导作用,辅以纳米柱为缓冲层的策略,有效地在玻璃上实现了对氮化镓取向的控制,以及玻璃上氮化物面外取向完全一致、面内取向也由传统的完全随机性被限制成仅为三种,从而得到晶界种类只有三种且密度很低的准单晶薄膜。在此基础上,他们制备出高质量的平面量子阱蓝光发光二极管(LED),其内量子效率高达48.7%,为目前已知非晶衬底上同类器件的最高纪录;进一步利用界面处较弱的范德华作用力,简单地使用胶带即可将器件从玻璃衬底上剥离下来,制备出柔性LED。
相关研究成果于2021年7月30日以“准单晶氮化物薄膜在石墨烯玻璃上的范德华外延制备”(Van der Waals epitaxy of nearly single-crystalline nitride films on amorphous graphene-glass wafer)为题发表于《科学·进展》(Science Advances);中科院半导体所博士研究生任芳、北京大学前沿交叉学科研究院2018级博士研究生刘秉尧为共同第一作者,中科院半导体所刘志强研究员、北京大学物理学院量子材料科学中心高鹏研究员、北京大学化学与分子工程学院/北京石墨烯研究院刘忠范院士为共同通讯作者。
上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及北京大学电子显微镜实验室和量子物质科学协同创新中心等支持。这一原创性研究对于扩大半导体外延衬底选择范围、丰富半导体异质外延概念、实现面向后摩尔时代的片上物质组装和异构集成具有重要意义,有助于第三代宽禁带半导体产业打开新局面,同时也为石墨烯等二维材料的产业化应用提供了新思路。
文章来源:北京大学
高鹏,北京大学物理学院研究员,2010年在中国科学院物理研究所获得凝聚态物理学博士学位,2010-2015年间在美国密歇根大学、美国布鲁克海文国家实验室、日本东京大学从事博士后研究工作。从2005年开始一直从事透射电子显微学相关的研究,发表论文30余篇,其中包括9篇Nature子刊和1篇Science。曾获中国科学院宝洁奖、优秀毕业生奖,中科院物理所所长优秀奖、表彰奖等,2014年入选日本振兴学会(JSPS)外国人特别研究员。