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1. Antecedentes de la investigación de interfaces incoherentes

Las interfaces de materiales funcionales han atraído mucha atención debido a que a menudo exhiben fenómenos y propiedades físicos y químicos novedosos que difieren de los materiales a granel. Por ejemplo, en las interfaces de materiales se han descubierto gas de electrones bidimensional, superconductividad de interfaz, luminiscencia de interfaz y magnetismo de interfaz. Estos interesantes fenómenos y propiedades de la interfaz generalmente se atribuyen a fuertes interacciones físicas y químicas en la interfaz, por lo que ocurren principalmente en interfaces coherentes y semicoherentes.

Desde la interfaz coherente a la interfaz semicoherente, y luego a la interfaz incoherente, el desajuste de la red en la interfaz continúa aumentando, lo que resulta en diferentes mecanismos de ajuste de desajuste de la red y estructuras de interfaz en la interfaz del material. El desajuste de la red de la interfaz coherente es pequeño, y el desajuste de la interfaz se ajusta mediante la deformación elástica de dos redes adyacentes, formando una estructura de interfaz perfectamente adaptada entre los átomos en la interfaz; El desajuste de la red en la interfaz semicoherente es moderado, compensado por la formación de una disposición periódica de dislocaciones de desajuste de la interfaz. El desajuste de la red en las interfaces incoherentes es muy grande, y los cristales adyacentes en ambos lados de la interfaz mantendrán su red original y se apilarán rígidamente, lo que dificulta la formación de dislocaciones de desajuste de la interfaz. Aunque las interfaces incoherentes son más comunes que los otros dos tipos de interfaces, debido a su pobre coincidencia de red y su débil fuerza de unión de la interfaz, la interacción en la interfaz es muy débil. Por lo tanto, las interfaces incoherentes rara vez exhiben fenómenos y propiedades de interfaz únicos, lo que limita en gran medida la investigación y aplicación de interfaces incoherentes.

2. Investigación sobre yointerfazPfenómenos yPpropiedadesde AlN/Al2O3EncoherenteIinterfaz

Para explorar nuevos fenómenos y propiedades de interfaces incoherentes, un equipo de investigación ha llevado a cabo investigaciones sistemáticas sobre las estructuras atómicas y electrónicas y las interacciones entre interfaces incoherentes. Se ha descubierto que existen interacciones fuertes e inusuales en la interfaz no coherente de AlN/Al2O3 (0001) con un gran desajuste de red (~12%). La fuerte interacción de la interfaz regula significativamente la estructura atómica y electrónica y las propiedades luminiscentes de la interfaz AlN/Al2O3. Los resultados de la investigación de la caracterización de la microestructura por microscopía electrónica de transmisión indican que se forman redes de dislocación de desajuste de interfaz y fallas de apilamiento en la interfaz incoherente de AlN/Al2O3, lo cual es raro en otras interfaces incoherentes.

Fig. 1 Estructura microscópica de la interfaz incoherente AlN/Al2O3 (0001). ( a, b ) Imágenes de campo brillante de microscopía electrónica de transmisión y patrones de difracción de electrones de áreas seleccionadas de muestras transversales. El crecimiento epitaxial de una película delgada de AlN sobre un sustrato de Al2O3 dio como resultado un contraste desigual entre la luz y la oscuridad en la interfaz, lo que indica la presencia de concentración de estrés en la interfaz. (c, d) Imágenes de campo brillante de microscopía electrónica de transmisión y patrones de difracción de electrones de áreas seleccionadas de muestras planas. En la interfaz se forma una red de dislocación que no coincide con la interfaz.

El espectro de pérdida de energía del electrón de valencia resuelto en la capa atómica muestra que la banda prohibida en la interfaz incoherente de AlN/Al2O3 disminuye a ~3,9 eV, significativamente más pequeña que la banda prohibida de los materiales a granel de AlN y Al2O3 (5,4 eV y 8,0 eV, respectivamente). Los cálculos de primeros principios indican que la reducción de la banda prohibida en la interfaz se debe principalmente a la formación de tetraedros de AlN3O y octaedros de AlN3O3 distorsionados en la interfaz, lo que resulta en competencia entre los enlaces Al-N y Al-O y un aumento en la longitud del enlace.

Fig. 2 Estructuras atómicas y electrónicas de la interfaz AlN/Al2O3 sin fallas de apilamiento. ( a, b ) Imágenes HAADF y ABF de microscopía electrónica de transmisión de barrido. La superficie atómica de Al del AlN está unida directamente a la superficie atómica de O del Al2O3 en la interfaz. La red de AlN y Al2O3 está rígidamente apilada, con 8 superficies atómicas de AlN que coinciden con 9 superficies atómicas de Al2O3. La reconstrucción atómica y la división de las columnas atómicas de Al ocurren en la interfaz (indicada por la flecha roja). (c) Espectro de pérdida de energía del electrón de valencia resuelto en la capa atómica. La banda prohibida en la interfaz disminuyó a ~3,9 eV, significativamente menor que la de los materiales a granel de AlN y Al2O3.

Fig. 3 Estructuras atómicas y electrónicas de las zonas de falla de la interfaz AlN/Al2O3. ( a, b ) Imágenes HAADF y ABF de microscopía electrónica de transmisión de barrido. La falla de apilamiento de la interfaz se forma en el lado de Al2O3, pero no cambia la coincidencia reticular de los materiales en ambos lados de la interfaz. La interfaz todavía tiene 8 caras atómicas de AlN que coinciden con 9 caras atómicas de Al2O3. (c) Espectro de pérdida de energía del electrón de valencia resuelto en la capa atómica. La banda prohibida en la interfaz disminuyó a ~3,9 eV, significativamente menor que la de los materiales a granel de AlN y Al2O3.

Fig. 4 Cálculos de primeros principios de las estructuras atómicas y electrónicas en la interfaz AlN/Al2O3. (ac) Modelo atómico sin fallas de apilamiento, densidad electrónica de estados y densidad de carga diferencial de átomos de Al. Modelo atómico de zona de falla de apilamiento (ac), densidad electrónica de estados y densidad de carga diferencial de átomos de Al. Las bandas prohibidas en la zona de falla sin apilamiento y en la zona de falla apilable son 3,3 eV y 3,4 eV, respectivamente. La fuerza de unión en la interfaz es alta, formando tetraedros de AlN3O y octaedros de AlN3O3 distorsionados, con competencia entre los enlaces Al-N y Al-O.

El análisis de espectroscopía de fluorescencia catódica muestra que la interfaz no coherente tiene características de luminiscencia de interfaz, que puede emitir luz ultravioleta con una longitud de onda de 320 nm, y la intensidad de luminiscencia es mucho mayor que la luminiscencia intrínseca de las películas delgadas de AlN. Este estudio indica que las interfaces no coherentes con grandes desajustes de red pueden exhibir fuertes interacciones de interfaz y propiedades de interfaz únicas, profundizando y ampliando la comprensión de las personas sobre las interfaces no coherentes. Puede proporcionar referencia y orientación para el desarrollo de materiales y dispositivos de heterounión avanzados basados ​​en interfaces incoherentes.

Fig. 5 Medición de fluorescencia catódica en la interfaz AlN/Al2O3. (a) Imágenes de electrones secundarios de microscopía electrónica de barrido, (b) espectros de fluorescencia catódica, (c, d) mapas de distribución de fluorescencia catódica medidos con láseres de 210 nm y 320 nm. La excitación de la luz de 210 nm proviene de películas delgadas de AlN y la excitación de la luz de 320 nm proviene de interfaces. La intensidad de luminiscencia de la interfaz es significativamente mayor que la luminiscencia intrínseca de las películas delgadas de AlN.

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