Nat. Commun.: 簡易方法制備厘米級大孔單晶
【引言】
多孔固態材料在(電)催化、分離、光伏和化學/電能儲存等多種應用中廣泛使用,通過孔隙率提供大的表面積,提高效率,容量和反應動力學。傳統上通過加工和熱燒結納米晶粉末來實現孔徑大于500nm的孔隙率,最終形成多孔陶瓷。多孔材料的發展引起了科員人員很大的興趣,并有望在新一代(光電)器件,催化劑和超級電容器的創造中發揮重要作用。合成多孔材料通常是基于模板法,以指導無機基體和孔隙的形狀和大小。然而,現代電子學和光電子學領域需要具有擴展的長程有序的材料,即大塊單晶結晶度以通過在晶界處的散射使損失最小化。另外,將多孔結構引入到這些單晶體中,將允許開發下一代高效率的發光二極管(LED),低損耗波導和太陽能電池。
【成果簡介】
近日,中國科學院福建物質結構研究所謝奎等人同國家科學技術部臺灣材料光電科學研究所Mitch M. C. Chou在Nature. Communications.上發表了題為“In situ inward epitaxial growth of bulk macroporous single crystals”的文章。通過常用方法來制備了厘米級的大孔氮化鎵單晶。合成策略建立在破壞性晶體生長機制的基礎上,該機制利用母體LiGaO2單晶的直接氮化實現向內外延生長過程。所得到的單晶顯示出與通過常規鈉通量法生長的塊狀晶體相當的電子遷移率。(注:向內外延生長這個概念不知道是否準確,沒查到)
【圖文導讀】
圖1. LiGaO2和GaN的晶體結構
(a)和(c) LiGaO2的晶體結構。
(b)和(d) GaN的晶體結構。
圖2. 增長機制的示意圖
(a) LiGaO2母體單晶的氮化處理制備大孔GaN單晶的示意過程
(b) 制備尺寸為40mm×20mm×0.5mm的自支撐大孔徑GaN單晶
圖3. X射線衍射圖案和SEM圖像
(a)裸露c面的大孔GaN膜和大孔GaN塊狀晶體的XRD
(b)圍繞其c軸旋轉的氮化樣品的(1011)平面的X射線衍射掃描顯示間隔60°的峰
(c)自支撐大孔徑GaN單晶的橫截面圖,比例尺表示500μm
(d)裸露c面的大孔GaN單晶的俯視圖,比例尺表示200nm
圖4. 在LiGaO2(001)襯底上外延生長的多孔GaN膜的橫截面的TEM表征
(a)晶帶軸的明場TEM圖像
(b)靠近表面的GaN的高分辨率TEM圖像
(c)晶帶軸的界面處的高分辨率TEM圖像
圖5. 光譜表征和電子遷移率比較
(a)室溫下自支撐大孔GaN單晶的陰極發光圖
(b)光致發光光譜
(c)大孔徑GaN單晶的Hall遷移率
(d)LiGaO2母體單晶襯底、大孔GaN膜和塊狀單晶微拉曼光譜
【小結】
本實驗通過用于在母體單晶上原位向內外延生長來生成大尺寸大孔單晶,所獲得的含有數十納米到數百納米的3D互連孔的單晶大孔GaN膜和塊狀晶體的尺寸是空前的厘米級,即典型晶片的尺寸。GaN單晶的機械和化學穩定性、生物相容性以及電學和光學活性性質、孔單晶具有良好的結晶性,高光學質量和有吸引力的電子傳輸性能、大孔結構的高表面積性質使其成為例如光電子和電子學領域的先進技術應用的有前景的構件。
此外,本研究中使用的CVD工藝簡單,經濟,與工業GaN技術兼容,因此適用于進一步的放大和器件集成,且以較低的成本大量提供大尺寸大孔徑GaN單晶。這種方法不僅通過合成改性提供了對晶體和孔徑尺寸的控制,而且證明了通用性,因此開辟了在大量其他材料中設計大孔晶體的可能性。
文獻鏈接:In situ inward epitaxial growth of bulk macroporous single crystals(Nat. Commun.2017,DOI:10.1038/s41467-017-02197-6)
本文由材料人編輯部張潤凱編譯, 陳炳旭審核, 點我加入材料人編輯部。
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