北京大学王新强、王涛团队在褶皱二维氮化镓声子研究中取得重要进展

近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心王新强教授与北京大学电子显微镜实验室王涛高级工程师探测到褶皱二维氮化镓（GaN）的声子行为。相关研究成果以“褶皱二维氮化镓的声子色散”（Phonon dispersion of buckled two-dimensional GaN）为题，于2024年11月30日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

氮化镓作为一种宽禁带半导体材料，广泛应用于光电器件和高频、高功率电力电子器件等领域。传统上，研究主要集中在四面体配位的三维氮化镓，而二维氮化镓的研究相对较少。北京大学王新强、王涛团队最近对褶皱二维氮化镓的声子行为进行了深入研究，直接探测到其声子色散，并与第一性原理计算结果吻合。研究发现，与三维氮化镓相比，褶皱二维氮化镓的光学支声子发生了显著的蓝移，导致其声学-光学声子带隙增加了约20毫电子伏特。这一增加的声子带隙有效抑制了三声子散射，延长了声子寿命，从而影响了材料的导热性能。

图1.体GaN与褶皱二维GaN的声子色散。（a）EELS光阑在衍射面的摆放示意图。绿色矩形框标示了EELS光阑的位置，旁边标注了选取的动量路径。（b）体GaN的声子色散，白色线为计算的体GaN声子色散曲线。（c）体GaN声子色散的模拟结果，白色线为计算的体GaN声子色散曲线。（d）褶皱二维GaN投影声子色散的计算结果。（e）（f）实验和计算褶皱二维GaN的声子色散。

北京大学物理学院博士研究生张振宇为论文第一作者，王涛、王新强为共同通讯作者。北京大学葛惟昆教授和沈波教授对该工作提出了宝贵的指导意见。北京大学高鹏教授和吉林大学张源涛教授对该工作做了重要指导。合作者还包括北京大学王平研究员等。
研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京卓越青年科学家计划、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、北京大学高性能计算平台和北京大学电子显微镜实验室等支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54921-8

【团队近期成果】

·王新强、王涛团队在氮化镓缺陷声子研究中取得重要进展

北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室王新强教授、北京大学电子显微镜实验室王涛高级工程师与美国橡树岭国家实验室Lucas Lindsay教授合作，实现了对GaN棱柱状堆垛层错（PSF）中缺陷局域声子的原子尺度观测。相关研究成果以“GaN中缺陷引起的局域振动的原子尺度可视化”（Atomic-scale visualization of defect-induced localized vibrations in GaN）为题，于2024年10月20日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

Ⅲ族氮化物半导体材料因其高电子迁移率、大击穿场强和可调直接带隙等特性，在高频、高功率光电器件和电力电子器件等领域展现出巨大的应用潜力。随着器件尺寸的缩小、集成度的提升及功率密度的增加，高效的热输运对于确保器件可靠性、防止过热和提高器件性能至关重要。Ⅲ族氮化物半导体中的热输运由声子主导，缺陷会导致明显的声子散射，抑制热输运。而传统光学测量方法在空间和动量分辨率上的限制，难以直接探测缺陷处的局域声子行为，因此，探究缺陷的纳米尺度声子行为，成为设计高效热管理器件的关键。

针对对上述科学问题，北京大学和美国橡树岭国家实验室的联合团队使用扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，结合高角环形暗场（HAADF）成像及EELS谱与第一性原理计算，精确识别了GaN中PSF缺陷的原子结构，并观测到三种声子模式：局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式。其中局域缺陷模式由PSF中心原子的局域振动产生，受限体模式源于缺陷两侧原子的振动，而完全扩展模式源于整个系统所有原子的集体振动。此外，研究团队直接测量了PSF缺陷的声子色散，并与体GaN的声子色散进行了对比，发现PSF缺陷中声子带隙减小，声子群速度下降，这增强了三声子散射，导致热导率的降低。相关研究为缺陷声子的模式分辨提供了直接证据，同时为Ⅲ族氮化物材料的热管理策略提供了新思路。

图1. PSF中缺陷声子的原子分辨声子谱和第一性原理计算。(a) PSF（红色）和体GaN（蓝色）中的实验声子谱。(b) PSF（红色）和体GaN（蓝色）中的计算声子谱。(c) PSF中三种类型的缺陷声子模式：局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式的可视化。图中由上到下显示了计算的振动特征向量，PSF的HAADF图像和对应范围的实验测量原子级分辨声子强度分布图。
北京大学物理学院博士生姜海龄为文章第一作者，王新强、王涛、Lucas Lindsay为论文共同通讯作者，北京大学葛惟昆教授和沈波教授参与和指导了本课题的工作。北京大学物理学院高鹏教授和时若晨博雅博士后对本课题做了重要指导。合作者还包括北京大学物理学院王平研究员和清华大学深圳国际研究生院孙波教授等。

上述研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、北京大学电子显微镜实验室、北京大学高性能计算平台等支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53394-z