【材料】晶格对称性引发的新奇现象——GaN层状纳米分支外延

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作为第三代半导体材料，IIIA族氮化物半导体物理化学性质优异，从深紫外至近红外宽波段可调，是制备固态光电器件、电力电子器件和微波功率器件等的优良材料。其家族成员包括InN、GaN、AlN及其合金，除了常见的纤锌矿（wz）结构，还具有闪锌矿（zb）和岩盐矿（rs）两种结构。材料制备过程中，晶体结构的对称性与生长行为息息相关，尤其是在GaN材料的外延过程中，闪锌矿GaN通常伴随着堆垛层错出现于纤锌矿结构中。那么，这种现象会如何影响GaN材料的外延生长呢？近日，北京大学宽禁带半导体研究中心通过分子束外延技术（MBE），深入剖析了GaN层状纳米分支外延过程中的晶格对称性驱动机理。

半导体纳米线由于晶体质量高、结构特性优异，在纳米尺度的高效光电器件和电子器件等诸多领域得到广泛的应用。GaN、ZnO、InP、CdS等纳米线具有六方纤锌矿晶格结构，且倾向于沿c轴生长。最近，实验报道了纳米材料外延过程中出现的新奇纳米结构，如纳米三脚架（nanotripods）、纳米螺旋桨（nanopropellers）和纳米树（nanotrees）等。这些结构能够拓展纳米材料的结构设计及应用领域，如多型量子阱（polytypic QW）、晶相量子点（crystal-phase QD）等，尤其是纳米分支的旋转对称性使其在多通道器件方面颇具潜力。然而，有关纳米分支的形成机理尚未明确，在IIIA族氮化物中，这种纳米分支现象及与晶格结构和对称性之间的关联性更是鲜有报道。

北京大学宽禁带半导体研究中心利用分子束外延在图形化衬底上生长了GaN纳米线结构。实验发现，随着生长的进行在部分六棱柱状纳米线顶端出现了正四面体形金字塔结构，具有三重旋转对称性的三个分支逐渐从正四面体的三个侧面延伸而出，这些分支构成独立的“纳米三脚架”。纳米三脚架在面内倾向于沿互成60°旋转的两个方向“I”、“II”排列。进一步延长生长时间，甚至会出现以无旋转直接堆叠（“I + I”）或互成60°旋转交叉堆叠（“I + II”）的层状纳米分支。

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）测试表明纳米分支结构源于wz-GaN纳米线顶端出现的zb-GaN核状结构，zb-GaN的不稳定性和对称性迫使稳定的wz-GaN分支从zb-GaN暴露的三个倾斜侧面延伸而出形成具有良好旋转对称性的纳米三脚架；而层状纳米分支的出现，则是由于纳米线顶端核结构中wz/zb晶相的周期性交替，其周期数决定了分支的堆叠层数，zb-GaN的原子排列顺序则决定了分支的堆叠方式。该现象可通过材料制备过程中的温度予以调控，提高生长温度，可以抑制zb-GaN的出现，从而实现六棱柱状规则GaN纳米线的外延。

将In(Ga)N量子点耦合至该纳米线-纳米分支结构中可以进一步拓展氮化物纳米材料的应用领域。与此同时，纳米分支结构的大表面积和多通道优势为载流子提供了更多的输运途径，相关器件有待进一步研制。这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是北京大学宽禁带半导体研究中心博士研究生王平。

该论文作者为：Ping Wang, Xinqiang Wang, Tao Wang, Chih-Shan Tan, Bowen Sheng, Xiaoxiao Sun, Mo Li, Xin Rong, Xiantong Zheng, Zhaoying Chen, Xuelin Yang, Fujun Xu, Zhixin Qin, Jian Zhang, Xixiang Zhang, Bo Shen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Lattice-Symmetry-Driven Epitaxy of Hierarchical GaN Nanotripods

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201604854

导师介绍

王新强

http://www.phy.pku.edu.cn/~xinqiangwang/index.html

Journal of Membrane Science;

Bioconjugate Chemistry;  Carbon;

ChemPlusChem; Advanced Science;

Food Hydrocolloids; Food Chemistry

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