晶格失配
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-24
晶格失配的實例教程
在此，研究者利用橫向力原子力顯微鏡(AFM)表征了不同晶格失配(MoS2/石墨、MoS2/h-BN和石墨烯/h-BN)的二維異質結界面。結果表明：大晶格失配MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結界面的摩擦系數(COF)小于10?6，扭轉角依賴性得到抑制。與此同時，研究者證明，這兩個異質結的摩擦力是由釘住邊緣或襯底臺階效應主導的，而不是由界面滑動阻力，例如，勢能起皺。相比之下，石墨烯/h-BN滑動摩擦過程中界面滑動阻力占主導地位，晶格失配較小。經典分子動力學(MD)模擬表明，靠近薄片邊緣的原子在滑動動力學中發揮了獨特的作用，因為它們相對于薄片的其余部分呈現出增強的面外結構畸變。鑒于到MD模擬中力場的非反應性，研究者也間接證明了疇邊緣的懸空鍵，主要對基底的攀爬過程中觀察到的摩擦力有貢獻。
圖1 二維異質結構的摩擦特性。
圖2 MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結構界面的超潤滑性。
圖3 三種不同異質結構界面的摩擦源。
圖4 MoS2薄片在石墨上滑動的MD模擬結果。
圖5 界面臺階對摩擦力的影響。
在此，研究者證明了大晶格失配的MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結界面具有極低的摩擦系數，~10?6，沒有任何扭角依賴性。實驗和MD計算均表明，MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結中的釘住邊和界面臺階，是摩擦過程的主導因素，而石墨烯/h-BN中的小晶格失配是界面摩擦的重要原因。該研究結果表明，接觸面的晶格失配和界面臺階的缺失，是設計近無摩擦滑動副的關鍵因素。（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 結果顯示由于Ni和YSZ重構界面之間發生了大的晶格錯配，形成了一種包含高密度失配位錯的特殊結構。然而，盡管有大的晶格錯配，界面也不是非共格的。界面由陽離子終止，這可能是由于低氧偏壓下達到平衡導致的。
【圖文導讀】
圖1：通過固態潤濕方法制備，平衡態Ni顆粒在YSZ基底上的二次電子HRSEM圖像。
顆粒的(111)面與YSZ基底表面的(111)面平行。點劃線矩形為FIB選擇的區域，用于TEM分析。
圖2：同時獲得的平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域STEM圖像。
(a)高角度環形暗場STEM圖像；
(b)環形明場STEM圖像。
圖3：界面區域的iDPC-STEM表征。
(a)平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域的iDPC-STEM圖像，界面處Ni原子和Zr原子之間的電荷轉移明顯可見;
(b)將(a)圖使用高通濾波器進行過濾后的圖像，原子柱位置可在界面兩側都看到；
(c)白色方框劃定的沿界面交替排布的重復單元定義為A和B，一個剩余連續平面（B單元）在一列結構單元之間分離。
圖4：界面區域的EDS分布圖。
(A)界面的環形暗場STEM圖像；
(B-F)同一區域的EDS能譜分布圖。
【小結】
本工作借助IDPC STEM和EDS能譜分布圖確定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子結構。實驗圖像顯示界面采用一種含有高密度失配位錯的特殊結構，這是由于兩相具有特殊的取向關系，產生大的晶格失配導致的。然而，盡管具有較大的晶格失配，界面仍不是非共格的。觀察到的位錯序列定義了界面的重構結構，通過吸收錯配應變能使得界面能最小化。
展開 結果顯示由于Ni和YSZ重構界面之間發生了大的晶格錯配，形成了一種包含高密度失配位錯的特殊結構。然而，盡管有大的晶格錯配，界面也不是非共格的。界面由陽離子終止，這可能是由于低氧偏壓下達到平衡導致的。
【圖文導讀】
圖1：通過固態潤濕方法制備，平衡態Ni顆粒在YSZ基底上的二次電子HRSEM圖像。
顆粒的(111)面與YSZ基底表面的(111)面平行。點劃線矩形為FIB選擇的區域，用于TEM分析。
圖2：同時獲得的平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域STEM圖像。
(a)高角度環形暗場STEM圖像；
(b)環形明場STEM圖像。
圖3：界面區域的iDPC-STEM表征。
(a)平衡態Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區域的iDPC-STEM圖像，界面處Ni原子和Zr原子之間的電荷轉移明顯可見;
(b)將(a)圖使用高通濾波器進行過濾后的圖像，原子柱位置可在界面兩側都看到；
(c)白色方框劃定的沿界面交替排布的重復單元定義為A和B，一個剩余連續平面（B單元）在一列結構單元之間分離。
圖4：界面區域的EDS分布圖。
(A)界面的環形暗場STEM圖像；
(B-F)同一區域的EDS能譜分布圖。
【小結】
本工作借助IDPC STEM和EDS能譜分布圖確定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子結構。實驗圖像顯示界面采用一種含有高密度失配位錯的特殊結構，這是由于兩相具有特殊的取向關系，產生大的晶格失配導致的。然而，盡管具有較大的晶格失配，界面仍不是非共格的。觀察到的位錯序列定義了界面的重構結構，通過吸收錯配應變能使得界面能最小化。
展開 最近科研人員已經獲得高質量的二維多重異質結及超晶格等功能化結構，然而受限于目前的微納加工和生長技術，所制備的圖案化人工超結構尺度仍然較大，構筑寬度小于5納米的具有顯著量子特性的功能化二維超晶格結構仍然是一個挑戰。
【成果簡介】
近日，中國科學院大學物理科學學院及中國科學院拓撲量子計算卓越創新中心的周武研究員、張余洋副教授等與多個課題組合作，利用了2D平面側向異質結中兩種半導體材料之間的界面失配位錯驅動二維量子阱的生長，構筑了半導體單層內高質量的寬度小于2納米的量子阱以及量子阱超晶格。同時結合原子分辨的電鏡結構表征和理論計算，揭示了此類新型二維量子阱超晶格的生長機制。該研究為制備高質量二維超晶格結構提供了新的思路。該研究發表于Science Advances，題為“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。
【圖文導讀】
圖1. 嵌入單層WSe2晶格內的WS2量子阱結構和應變分析
（A）寬度為1.2nm的WS2量子阱的原子分辨率STEM-ADF圖像。黃色虛線突出顯示了WS2量子阱和WSe2晶格之間的共格界面。 六邊形強調格子的方向。
（B和C）與（A）中同區域的能譜成像分析分別顯示了WS2和WSe2的空間分布。
（D和E）為WS2量子阱的高分辨率STEM-ADF圖像以及相應的原子結構模型。
（F到H）整個65 nm長的WS2量子阱的STEM-ADF以及量子阱周圍相應的應變分布。
（I和J）為STEM-ADF圖像，顯示了（F）中WS2量子阱頂端的位錯核的原子排列和相應的原子模型。
圖2.
展開 實現快速開關、高功率密度和高擊穿電壓的GaN器件，需要高質量的外延，Si襯底上GaN外延最大的挑戰來自于熱失配以及晶格失配引入的殘余應力，應力會導致外延片發生龜裂、翹曲等一系列問題，因此需要引入AlN或AlGaN層來解決應力調控等問題；另一方面，Si 和GaN 之間的晶格失配也會在外延層中引入大量的缺陷，降低了材料的晶體質量以及器件的性能，因此需要增加Si 襯底GaN外延層的厚度來降低缺陷。
集微咨詢（JW insights）認為，在制造方面，GaN仍面臨以下關鍵挑戰：
首先是原始創新能力較低
。國內開展GaN等第三代半導體器件和材料的研究比較晚，與國外差距較大，且GaN是涉及重要國防軍工產品的關鍵技術，國外對我國實施相關技術封鎖，因此當前我國在該領域核心材料、器件等方面的原始創新能力仍然薄弱。
其次是國內GaN器件的外延技術仍待提升
。
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通過晶片探測測試的150毫米GaN LED晶圓（圖片來源：Kubos 半導體）
“硅襯底可以與CMOS工藝兼容，由于薄SiC層和立方GaN之間的低晶格失配，我們可以迫使GaN的生長進入立方狀態，”O'Brien說道：“隨著SiC功率器件的商業化，這種SiC薄層的成本將顯著降低，這也讓我們的全套方案，開始能夠與目前使用量子點或在藍寶石襯底上生長GaN的Micro-LED制造方法競爭?！?/div>
然而，由于窄禁帶半導體納米線與常規超導體之間晶格失配很大，高質量樣品的制備一直是制約半導體-超導納米線拓撲量子計算研究的關鍵難題。
中科院半導體所趙建華、潘東團隊長期致力于用于拓撲量子計算的高質量半導體-超導納米線分子束外延可控制備研究。他們首先在Si襯底上外延出了高質量純相超細單晶InAs納米線（D. Pan et al.
從測試結果表明，國產硅片與進口硅片均采用了1 000 μm厚P<111>重摻硼襯底，<111>晶向主要是為了與氮化鎵的六方纖鋅礦結構相匹配，減小晶格失配，重摻硼則是為了提高硅片的機械強度，進口硅片的摻雜濃度比國產硅片高一個數量級，電阻率達到0.003 6 Ω·cm，這是一個顯著的區別。國產硅片和進口硅片在氧、碳濃度方面不存在差異，均為正常的氧碳含量值。
但是，藍寶石襯底與GaN材料有高達17%的晶格失配度，如此大的晶格失配往往造成很高的位錯密度，導致GaNLED中的非輻射復合中心增多，限制了其內量子效率的進一步提升。
欲制備無缺陷的薄膜，首先要滿足兩者之間盡量小的晶格失配度；其次，兩者的線膨脹系數也要相近。因此，要盡量選擇同一系統的材料作為襯底。目前使用最多的襯底是藍寶石(
Al2O3
)，此類材料由于制備簡單，價格較低，熱穩定性良好，且可以用于生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用，但是由于其晶格常數和線膨脹系數都與氮化鎵相差較大，制備出的氮化鎵薄膜可能會存在裂紋等缺陷。
實現快速開關、高功率密度和高擊穿電壓的GaN器件，需要高質量的外延，Si襯底上GaN外延最大的挑戰來自于熱失配以及晶格失配引入的殘余應力，應力會導致外延片發生龜裂、翹曲等一系列問題，因此需要引入AlN或AlGaN層來解決應力調控等問題；另一方面，Si 和GaN 之間的晶格失配也會在外延層中引入大量的缺陷，降低了材料的晶體質量以及器件的性能，因此需要增加Si 襯底GaN外延層的厚度來降低缺陷。
同時，MnO6八面體發生一定程度的晶格失配和可逆畸變。此外，陰離子氧化還原催化了固體電解質界面的形成，穩定了電極/電解質界面，抑制了Mn的溶解。通過綜合的結構和電化學表征，系統地研究了電化學離子交換的機理，為實現高度可逆的陰離子氧化還原開辟了一條誘人的途徑。
此外，GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3個數量級，這在芯片加工中可以規避很多問題，而且由于是同質外延，器件不會像GaN一樣出現晶格失配問題。
而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因素。
BCC相的晶格參數(aBCC)計算為0.2892 nm，BCC和L21相之間的晶格失配通過計算后確定為1.90%，這表明兩相之間的界面是半共格的。EBSD圖中細薄片(平均寬度約為270 nm)具有BCC結構，而粗薄片(平均寬度約為510 nm)具有L21結構。BCC相富含Cr(含有超過90% Cr)。
結合DFT計算，分析了(Nb,Ti)B2特征結構的形成機制，并進一步揭示了NbrichB2殼層的存在降低了Si吸附傾向，提高了與Al的化學親和力，同時TirichB2區的形成降低了(Nb,Ti)B2/Al界面的晶格失配，從而保證了其在抗Si毒化的同時兼具高效的細化效果。
