石墨烯上GaN、AlN的成核及生长机理研究

Recently, heteroepitaxy of nitride (GaN and AlN) on graphene gains great interest due to the various applications of flexible and transferable optoelectronic devices. It is a new approach known as quasi-van der Waals epitaxy. However, because of the lack of dangling bonds on the surface of graphene, the nucleation of nitride is limited. Therefore, the mechanism of this heteroepitaxy is different from the traditional heteroepitaxy and needs to make a further investigation. The proposed project will study on heteroepitaxy of nitride on graphene by hydride vapor phase epitaxy. Combined with first-principles calculation, by chemical treatment of the surface of graphene for promoting nucleation of nitride, we will study the mechanism of nucleation and growth of nitride on graphene systemically and establish the growth model of the quasi-van der Waals epitaxy. In addition, by regulation of the interface growth model, the project will also carry out an in-depth investigation of defects and strain control technology, explore an effective way to obtain a high quality and transferred nitride single crystal material for giving a great support for the development of free-standing nitride substrate.

石墨烯上外延生长氮化物（氮化镓和氮化铝）可以获得易转移、柔性的光电器件，成为近几年研究的热点，这种全新的外延方法被称为准范德瓦耳斯外延。然而，由于石墨烯表面缺乏悬挂键，限制了氮化物在其上成核。因此，其外延生长机理与传统异质外延存在较大差异，有待于深入研究。本项目拟采用氢化物气相外延法，在石墨烯上开展氮化物材料的外延生长研究。结合第一性原理计算，通过对石墨烯表面化学处理，促进氮化物成核，系统研究石墨烯上氮化物的成核及生长机理，建立准范德瓦耳斯外延的生长模型；此外，通过对界面生长模式的调控，进一步深入研究缺陷和应力控制技术，探索获得高质量、可转移的氮化物单晶材料的有效途径，为开发自支撑氮化物衬底材料奠定基础。

在石墨烯上外延生长氮化物，利用石墨烯层间弱的范德瓦尔斯力，有利于缓解晶格失配造成的应力，降低缺陷密度，获得低应力和低缺陷密度的氮化物材料。然而，由于石墨烯表面自由能非常小，氮化物在其上成核存在困难。这是石墨烯上外延生长氮化物的关键科学问题，也是当前国际上在二维材料上生长三维材料研究的热点之一。本项目在石墨烯上外延生长氮化物，采用原位氨气氮化处理石墨烯表面，通过低温缺陷成核，解决了石墨烯表面自由能小导致成核困难这一关键科学问题，阐述了石墨烯上范德瓦尔斯外延生长氮化物是“不相称”的外延方式，结合第一性原理计算，分析了石墨烯上氮化物的极性、取向关系，在国际上首次揭示了范德瓦尔斯外延生长薄膜的生长模式是“layer by layer”的层状生长模式这一关键外延生长机理。其次，项目负责人发展了一种新的“自组装的石墨烯纳米掩膜”侧向外延技术，即利用氢气原位刻蚀石墨烯，使其成为纳米掩膜，然后生长氮化镓，揭示了氮化镓缺陷形成及其演化机理，其中一步法生长氮化镓缺陷演化机理：成核区域形成了大量堆垛层错和柱状层错，层错被晶界包围，形成“自限制的层错”区域，从而降低了缺陷密度。两步法生长氮化镓缺陷演化机理：层错有效的阻挡了位错的延伸，少量的新的位错是由于不同取向的畴和侧向外延的氮化镓合并时产生的。另外，研究石墨烯上生长氮化镓应力状态，通过机械剥离，实现了2英寸位错密度10^6cm^-2数量级的高质量自支撑氮化镓材料，这是目前石墨烯上生长GaN晶体质量国际最好水平。项目执行期内，发表SCI论文10篇，申请专利3项，项目负责人在项目执行期内获得荣誉3项，协助指导硕士研究生8人（4人已毕业），参加学术会议10个，其中口头报告4个，粘贴报告4个。