付磊课题组超薄III–V半导体单晶研究取得新进展

新闻网讯（通讯员化苑） Nature Communications （《自然·通讯》）8月7日以长文（Article）形式发表付磊教授的最新研究成果，该工作提出了一种设计衬底与晶体之间界面相互作用以驱动非层状晶体各向异性生长的策略，实现了超薄III–V半导体单晶的普适性生长。

论文题为“Universal Growth of Ultra-Thin III-V Semiconductor Single Crystals”（《超薄III–V半导体单晶的普适性生长》），武汉大学为第一署名单位，化学与分子科学学院2017级博士生陈赟旭、刘津欣与曾梦琪副研究员为共同第一作者，付磊教授为通讯作者。这项研究工作得到了国家自然科学基金委、中德科学中心的大力支持。

III–V半导体具有高电荷载流子迁移率、高电子漂移速度、高效吸光和发光等性能，在各类电子器件和光电器件领域具有巨大的应用潜力。二维化的III–V半导体将表现出现诸多独特的性质，如增大的晶格常数、蓝移的带隙、强的电子–空穴相互作用等（以GaN为例），这将进一步提升其应用潜能。但是除了二维GaN之外，目前还没有实现其它超薄III–V族单晶的有效制备，比如GaP、InP、InSb等。目前用来生长二维GaN的方法强烈依赖于纳米尺度的限域空间或预先设计的模板，这会限制这些方法在其他二维III–V族单晶生长中的拓展。因此，开发一种普适性策略实现超薄III–V族单晶的生长十分重要。

▲超薄III–V半导体单晶的普适性生长示意图

付磊教授团队一直致力于二维原子晶体的精准合成（课题组网址： http://leifu.whu.edu.cn ），发展了一套基于液态金属体系制备二维原子晶体的合成方法。在该工作中，该团队以III族液态金属（Ga、In）为前驱体，将其与特定的过渡金属（如Au）互溶形成合金（如AuIn2、AuGa）作为生长衬底。利用合金衬底与目标III–V族晶体之间的强界面相互作用，驱动晶体的层层生长行为，进而实现单晶的二维各向异性生长。基于此，该团队实现了各种代表性的超薄III–V半导体单晶的生长，包括带隙性质从超窄带隙到宽带隙的InSb、GaSb、InP、GaP、GaN等晶体。这样一个设计衬底与晶体之间的界面相互作用以调节晶体生长行为的策略，为实现各类晶体的二维各向异性生长开辟了一条通用的途径。

此外，该团队还发现所制备的高质量超薄单晶表现出了强的声子限域、显著的带隙位移和优异的非线性光学性质，这为研究者们探索超薄III–V半导体的本征物理化学性质提供了一个良好的平台。

该研究工作得到了多个研究机构的支持：大连理工大学的高峻峰教授团队提供了关于衬底与晶体之间相互作用的理论计算支持，葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室王中长研究员团队利用球差矫正高分辨率扫描透射电子显微镜对样品结构进行了表征。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-17693-5

（编辑：肖珊）