前沿|半导体晶体论文精选

撰文：王梦晔

摘要：

如果多孔材料本身呈单晶形式，则其功能可以得到显著增强，由于结构相干性，这将减少电子和光学散射效应。然而，生长大孔单晶仍然非常困难，更不用说获得足够大以供实际使用的晶体了。在这里，我们展示了一种简单、廉价、通用的方法，用于制备厘米级的大孔氮化镓单晶。合成策略建立在扰动法生长晶体机制之上，通过对母体 LiGaO₂单晶的直接氮化，呈现向内外延生长过程。值得注意的是，该方法获得的单晶表现出的电子迁移率与通过常规钠通量方法生长的块状晶体相当。这种方法不仅可以通过合成修饰来调控晶体尺寸和孔径，且被证明是通用的，从而开辟了在其他材料中设计大孔晶体的可能性。

文章信息：

Chenlong Chen, Shujing Sun, Mitch M. C. Chou, Kui Xie. In situ inward epitaxial growth of bulk macroporous single crystals [J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 2178.

DOI:10.1038/s41467-017-02197-6

2018年，麻省理工学院陈刚教授、波士顿学院David Broido教授、休士顿大学Zhifeng Ren教授和德克萨斯大学奥斯汀分校Li Shi教授联合制备了一种各向同性、局部热导率高达1000 W·m^-1·K^-1，平均热导率高达900 W·m^-1·K^-1的砷化硼晶体材料，这一研究打破了传统理论的认知。根据传统理论，超高晶格热导率只能出现在由强键合的轻元素组成的晶体中，并且受非谐三声子过程的限制。但是作者发现在硼和砷分别为轻元素和重元素的块状砷化硼（BAs）晶体中也可以实现极高的热导率。这项研究使人们对固体热传导物理学有了更深入的了解，并表明BAs是唯一已知的具有超高导热性的半导体材料。这项研究以“Unusual high thermal conductivity in boron arsenide bulk crystals”为题发表在Science(IF=47.728)上。

摘要：

传统理论指出，超高晶格热导率只能出现在由强键合轻元素组成的晶体中，并且受到非谐三声子过程的限制。本文报道了偏离这些长期标准的实验证据。经测量，块状砷化硼(BAs)晶体的局部室温热导率超过1000 W·m^-1·K^-1，平均体积值达到900 W·m^-1·K^-1，其中B和As分别是轻元素和重元素。该高热导率数值与提出的声子能带工程一致，并且只能用高阶声子过程来解释。这些发现有助于深入了解固体中热传导的物理学，并表明BAs是唯一已知的具有超高热导率的半导体。

文章信息：

Fei Tian, Bai Song, Xi Chen, Navaneetha K. Ravichandran, Yinchuan Lv, Ke Chen, Sean Sullivan, Jaehyun Kim, Yuanyuan Zhou, Te-Huan Liu, Miguel Goni, Zhiwei Ding, Jingying Sun, Geethal Amila Gamage Udalamatta Gamage, Haoran Sun, Hamidreza Ziyaee, Shuyuan Huyan, Liangzi Deng, Jianshi Zhou, Aaron J. Schmidt, Shuo Chen, Ching-Wu Chu, Pinshane Y. Huang, David Broido, Li Shi, Gang Chen, Zhifeng Ren. Unusual high thermal conductivity in boron arsenide bulk crystals[J]. Science, 2018.

DOI:10.1126/science.aat7932

2020年，来自中山大学黄丰教授、郑伟副教授通过X射线激发，在氮化铝（AlN）单晶闪烁体中发现了超长本征磷光（>20 000秒），相关工作以 “X-ray radiation excited ultralong (>20,000 seconds) intrinsic phosphorescence in aluminum nitride single-crystal scintillators” 为题发表在Nature Communications(IF=14.919)上。

摘要：

磷光是一种迷人的光电子现象，这种现象可在稀土掺杂的无机晶体和有机分子晶体中观察到，在光学信息存储、彩色显示和生物剂量学方面具有巨大的潜力。在这里，本文通过X光激发在氮化铝单晶闪烁体中呈现出超长的本征磷光(> 20 000 s)。本研究认为长余辉发光源于与天然氮空位相关的带内跃迁。一些由吸收X射线光子形成的激发态不能满足跃迁选择规则要求的初始态和最终态之间的宇称差，因此它们不能通过辐射跃迁直接返回基态，而是通过几次声子辅助的带内跃迁缓慢返回。在这个过程中，形成了长期的宽光谱磷光发射。研究氮化铝中的X射线激发磷光发射，对于理解无机材料磷光机理，实现高能射线剂量学的实际应用具有重要意义。

文章信息：

Richeng Lin, Wei Zheng, Liang Chen, Yanming Zhu, MengXuan Xu, Xiaoping Ouyang, Feng Huang. X-ray radiation excited ultralong (>20,000 seconds) intrinsic phosphorescence in aluminum nitride single-crystal scintillators[J]. Nature Communications, 2020.

DOI:10.1038/s41467-020-18221-1

近日，麻省理工学院陈刚教授、波士顿学院David Broido教授和北京大学宋柏教授团队联合发现经过硼同位素的富集，包含约99%的¹⁰B和¹¹B的立方氮化硼晶体的热导率超过了1600 W·m^-1·K^-1。这一数值大大超过砷化硼，也就意味着硼同位素富集的立方氮化硼晶体已经取代砷化硼，成为最好的非碳及各向同性的导热材料。普通的立方氮化硼热导率约为850 W·m^-1·K^-1，而经过元素富集之后的立方氮化硼热导率的提升主要原因是消除了天然丰度立方氮化硼晶体中，由于¹⁰B和¹¹B两种同位素混合而产生的对于热流的阻力。这项研究以题为“Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride”的论文发表在Science(IF=47.728)上。

摘要：

高热传导率（κ）的材料在实际应用和基础研究中具有重要意义。在本研究中，生长出硼同位素（¹⁰B或¹¹B）丰度可控的立方氮化硼（c-BN）晶体，该晶体在室温下测得κ大于1600 W·m^-1·K^-1。相比之下，本研究发现，对于BP和BAs，随着相同的同位素质量无序对声子越来越不可见，同位素增强作用显著降低。超高的κ及其宽禁带（6.2 eV）使c-BN在微电子热管理、大功率电子和光电子应用领域成为有前途的材料。

文章信息：

Ke Chen, Bai Song, Navaneetha K. Ravichandran, Qiye Zheng, Xi Chen, Hwijong Lee, Haoran Sun, Sheng Li, Geethal Amila Gamage Udalamatta Gamage, Fei Tian, Zhiwei Ding, Qichen Song, Akash Rai, Hanlin Wu, Pawan Koirala, Aaron J. Schmidt1, Kenji Watanabe, Bing Lv, Zhifeng Ren, Li Shi, David G. Cahill, Takashi Taniguchi, David Broido, Gang Chen. Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride. Science, 2020.

DOI:10.1126/science.aaz6149

2020年，美国堪萨斯州立大学的Edgar课题组使用Ni-Cr作为助溶剂, 研究了生长温度、降温速率等因素对h-BN单晶质量和大小的影响,在最优的生长条件下该方法可得到约5 mm大小的h-BN单晶，并以“Hexagonal Boron Nitride Single Crystal Growth from Solution with a Temperature Gradient”为题，在Chem. Mater. (IF=9.811)上发表。

摘要：

六方氮化硼(h-BN)因其在纳米光子和电子器件、二维(2D)材料衬底、热管理材料等方面的广泛应用而备受关注。为了获得最佳的器件性能，需得到大面积h-BN单晶。在本研究中，作者在具有温度梯度的熔融金属溶液中生长出大面积（晶体边长> 500 μm）、高质量（缺陷密度< 0.52/μm²）的块状h-BN单晶。层内E_2g模式峰和层间剪切模式的拉曼线宽较窄，声子辅助跃迁光致发光峰强而尖锐，热导率高，表明该方法制备的h-BN具有高晶体质量和低缺陷密度。原子力显微镜图像显示可以通过剥离产生原子级平坦的h-BN层。这项研究不仅展示了一种生长大尺寸h-BN单晶的新策略，而且还为纳米器件应用提供了高质量的厚/薄h-BN层。

文章信息：

Jiahan Li, Chao Yuan, Christine Elias, Junyong Wang, Xiaotian Zhang, Gaihua Ye, Chaoran Huang, Martin Kuball, Goki Eda, Joan M. Redwing, Rui He, Guillaume Cassabois, Bernard Gil, Pierre Valvin, Thomas Pelini, Bin Liu, and James H. Edgar. Hexagonal Boron Nitride Single Crystal Growth from Solution with a Temperature Gradient[J]. Chemistry of Materials. 2020 32 (12), 5066-5072.

DOI:10.1021/acs.chemmater.0c00830

山东大学晶体材料研究所（晶体材料国家重点实验室）的陶绪堂教授课题组在无铅有机-无机复合钙钛矿块体单晶生长方面取得新的进展，率先在国际上采用顶部籽晶法生长了碘锡胺类钙钛矿单晶。相关研究成果以“Formation of Hybrid Perovskite Tin Iodide Single Crystals by Top-Seeded Solution Growth ”为题，在Angew. Chem. Int. Ed.（IF=15.336）上发表。

摘要：

混合钙钛矿因其在光伏应用中的潜力而引起了学者的极大兴趣。然而，铅具有毒性，人们致力于寻找其无毒的替代品。在这里立方体CH₃NH₃SnI₃和 CH(NH₂)₂SnI₃的块状单晶是通过在环境气氛下使用顶部籽晶溶液生长法获得的。本文还详细报道了CH₃NH₃SnI₃和 CH(NH₂)₂SnI₃单晶的精细结构、带隙、热性能和XPS测量。这些结果将为CH₃NH₃SnI₃和 CH(NH₂)₂SnI₃的进一步应用铺平道路。

文章信息：

Yangyang Dang, Yian Zhou, Xiaolong Liu, Dianxing Ju, Shengqing Xia, Haibing Xia, Xutang Tao. Formation of Hybrid Perovskite Tin Iodide Single Crystals by Top-Seeded Solution Growth [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2016, 55(10): 3447-50.

DOI:10.1002/anie.201511792

END

• 任玉娇, 刘宗亮, 顾泓 等. LPE生长GaN的不同极性面的光学性质[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(6): 996-1001.

• 邵凯恒, 夏嵩渊, 张育民 等. GaN单晶衬底上同质外延界面杂质的研究[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(3): 441-446.

• 刘京明, 赵有文. BAs晶体生长研究进展[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(2): 391-396.

• 王琦琨. 超宽禁带半导体材料——氮化铝单晶[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(7): 1-.

• 莫培程, 陈超, 陈家荣 等. cBN/TiC/Al合成PCBN及其性能研究[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(3): 480-484.

• 张育民, 王建峰, 蔡德敏 等. 氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(11): 1970-1983.

• 贲建伟, 孙晓娟, 蒋科 等. AlGaN基宽禁带半导体光电材料与器件[J]. 人工晶体学报, 2020, 49(11): 2046-2067.