二維（2D）材料，特別是石墨烯和氮化物的異質(zhì)集成，為半導(dǎo)體器件提供了新機(jī)遇，在制備柔性可穿戴設(shè)備以及可轉(zhuǎn)移電子和光子器件領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。由于石墨烯表面自由能低，氮化物在石墨烯表面不易成核，采用等離子體預(yù)處理或生長緩沖層的方法難以獲得高質(zhì)量的單晶氮化物。最近，一種新的外延技術(shù)——遠(yuǎn)程外延有望解決這一難題。該技術(shù)利用石墨烯的“晶格透明性”，襯底和外延層產(chǎn)生遠(yuǎn)程的靜電相互作用，憑借這種相互作用，外延層透過石墨烯可以“復(fù)制”襯底的晶格信息，從而保證外延層的晶格取向一致性。然而，關(guān)于氮化物遠(yuǎn)程外延的生長機(jī)制和界面作用關(guān)系的相關(guān)報(bào)道較少。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士研究生屈藝譜、副研究員徐俞、研究員徐科，以及蘇州大學(xué)教授曹冰合作，在ACS Applied Materials & Interfaces上，發(fā)表了題為Long-Range Orbital Hybridization in Remote Epitaxy: The Nucleation Mechanism of GaN on Different Substrates via Single-Layer Graphene的論文。科研團(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD），在兩種覆蓋單層石墨烯（SLG）的極性襯底（Al₂O₃和AlN）上實(shí)現(xiàn)了氮化鎵成核層（GaN NLs）的遠(yuǎn)程外延。研究發(fā)現(xiàn)，襯底極性對石墨烯上GaN的成核密度、表面覆蓋率和擴(kuò)散常數(shù)起到關(guān)鍵作用。研究考慮到表面覆蓋和襯底污染引起的成核信息差異，通過縮放的成核密度校正了這種誤差，得到了襯底極性和GaN成核密度的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)晶特性分析表明，襯底和外延層的界面外延關(guān)系不受單層石墨烯的影響，與傳統(tǒng)外延的取向關(guān)系一致。為了揭示成核信息差異背后的物理機(jī)理，理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)襯底增強(qiáng)了單層石墨烯上的Ga和N原子的吸附能，且極性較強(qiáng)的AlN相比Al₂O₃的吸附能更大，AlN和吸附原子Ga之間存在更高的差分電荷密度（CDD）。進(jìn)一步，分波態(tài)密度（PDOS）分析發(fā)現(xiàn)，盡管吸附原子Ga和襯底相距4-5埃，Al₂O₃和AlN中Al-3p和Ga-4p軌道在費(fèi)米能級附近仍存在軌道雜化。研究提出，在遠(yuǎn)程外延中，單層石墨烯的存在不影響襯底和吸附原子之間的化學(xué)相互作用，這種遠(yuǎn)程軌道雜化效應(yīng)正是在極性襯底上遠(yuǎn)程外延GaN NLs的本質(zhì)。通過導(dǎo)電膠帶可以輕松剝離GaN NLs，且剝離后的襯底表面沒有機(jī)械損傷，有望發(fā)展出一種高質(zhì)量襯底的低成本制備技術(shù)。

該研究討論了石墨烯調(diào)控的氮化鎵遠(yuǎn)程外延機(jī)理，創(chuàng)新性地提出了遠(yuǎn)程軌道雜化的概念，探討了GaN和襯底之間的界面關(guān)系和界面耦合特性，揭示了遠(yuǎn)程外延的物理和化學(xué)機(jī)理，為快速、大面積制備單晶GaN薄膜拓寬了思路。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

圖1.SLG/ Al₂O₃和SLG/AlN兩種襯底的GaN NLs的SEM圖，不同的量化指標(biāo)分析了成核信息的差異

圖2.GaN/SLG/ Al₂O₃和GaN/SLG/AlN兩種體系表面形貌的SEM圖，面外和面內(nèi)取向關(guān)系的XRD圖

圖3.GaN/SLG/ Al₂O₃和GaN/SLG/AlN兩種體系的界面微觀特性的HR-TEM圖

圖4.吸附原子Ga和N在SLG、SLG/ Al₂O₃和SLG/AlN三種體系上的吸附能，Ga在三種體系上的CDD和PDOS圖

圖5.使用導(dǎo)電膠帶剝離GaN NLs，剝離后GaN背部和襯底表面的石墨烯拉曼信號圖