二维材料上生长高质量GaN物理机制的第一性原理计算研究

Gallium nitride (GaN) has been applied in fabricating optoelectronic devices, high-power and high-frequency electronic devices because of its outstanding physical properties. However, the lack of low cost large scale GaN subtracts has impeded the progress of GaN-related technology and industry. The discovery of graphene and other two dimensional materials make it possible that high-quality GaN crystal can be grown on two dimensional materials through van der Waals epitaxial (vdWE) growth. In our present proposal, the physical processes for growing GaN on two dimensional materials (mainly graphene and MoS2) will be investigated. To understand the mechanisms of the vdWE growth, the atomic configurations at the heterostructures, preferring atomic sites of nucleation、electronic structures of the interfaces will be studied. The comparison will be made between GaN/graphene and GaN/MoS2. The vdWE growth technique is promising because of its potential advantages: (1) it overcomes the lattice mismatch issue of the conventional epitaxial growth, and works as a defect barrier layer, which can improve the quality of the epitaxially grown GaN; (2) the weak interaction between the two dimensional material and grown material GaN makes it easy to lift off GaN epilayer and transfer GaN onto different foreign substrates such as glass, plastic, or metal. The substrate can be reused, which lowers the cost of GaN growth.

氮化镓(GaN)材料因为其优越的物理特性被广泛应用于光电子器件和高功率、高频率器件，然而，缺少晶格匹配衬底材料是制约GaN相关技术和工业发展的一个重要因素。以石墨烯为代表的一系列二维材料的出现，使得在二维材料上通过范德华外延(vdWE)生长技术获得高质量GaN成为了可能。本项目利用第一性原理计算方法，研究在二维材料（主要是石墨烯和二硫化钼等）缓冲层上范德华外延生长GaN过程中的界面结构、优先成核机制、界面电子性质等一系列重要问题，比较氮化镓/石墨烯和氮化镓/二硫化钼两种异质结构在界面结构和电子性质上的差异，从多个角度研究二维材料上生长高质量GaN晶体的物理机制，阐述二维材料范德华外延生长的优越性：（1）克服衬底材料与生长材料之间晶格匹配的限制,隔断缺陷的形成，提高氮化物晶体质量；（2）二维材料与生长材料之间的范德华结合使得生长晶体易于转移，衬底材料可重复利用，降低成本。

该项目针对解决高质量氮化镓的生长难题，选取二维材料作为氮化镓生长的缓冲层的解决方案，通过第一性原理计算方法，研究了氮化镓材料和典型二维材料之间形成的典型界面结构，计算了界面层间距、界面处电荷转移等界面几何与电子性质，通过结合能的计算以能量最低判据确认了最有可能的界面结构。具体研究的体系包括扭角为0°、11°、19°、30°、41°、49°、60°的石墨烯/氮化镓异质结界面，扭角为0°、14°、21°、28°、32°、39°、46°、60°的蓝磷/氮化镓界面结构，扭角为0°、5°、24°、27°、33°、36°、55°、60°的g-C3N4/氮化镓界面结构等。这些结构和计算结果形成了二维材料/氮化镓的典型材料数据库，在后续工作中通过考虑更多的二维材料，该数据库会继续进行扩充。我们的研究结果表明，二维材料与氮化镓之间的相互作用依据二维材料的不同而发生变化。比如，石墨烯和氮化镓界面之间的结合主要是范德瓦尔斯相互作用，而磷烯（蓝磷）与氮化镓界面之间的结合除了范德瓦尔斯相互作用之外，还需要考虑化学键的形成。不同扭角结构可以调控局域的原子位置，从而影响到界面的相互作用。二维材料台阶结构吸附氮原子或者镓原子的研究进一步表明，边缘不饱和位点并不总是优先生长吸附位点，这取决于吸附原子和边缘原子能否形成化学键。这一机制与横向异质结生长技术密切相关，因此我们对横向异质结的理论研究和外延生长技术进行了总结。这些工作有助于理解氮化镓生长中的问题，并且为这些问题提供可能的解决办法，从而改进氮化镓生长技术，提高氮化镓生长质量。