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1. Contexte de recherche sur les interfaces incohérentes
Les interfaces de matériaux fonctionnels ont attiré beaucoup d’attention en raison de leurs propriétés et phénomènes physiques et chimiques nouveaux qui diffèrent de ceux des matériaux en vrac. Par exemple, un gaz électronique bidimensionnel, une supraconductivité d’interface, une luminescence d’interface et un magnétisme d’interface ont été découverts aux interfaces matérielles. Ces phénomènes et propriétés d'interface intéressants sont généralement attribués à de fortes interactions physiques et chimiques à l'interface, ils se produisent donc principalement aux interfaces cohérentes et semi-cohérentes.
De l'interface cohérente à l'interface semi-cohérente, puis à l'interface incohérente, le décalage de réseau à l'interface continue d'augmenter, entraînant différents mécanismes d'ajustement de décalage de réseau et structures d'interface à l'interface matérielle. Le décalage de réseau de l'interface cohérente est faible et le décalage d'interface est ajusté par la déformation élastique de deux réseaux adjacents, formant une structure d'interface parfaitement adaptée entre les atomes sur l'interface ; Le décalage de réseau à l'interface semi-cohérente est modéré, compensé par la formation d'un arrangement périodique de dislocations de décalage d'interface. Le décalage de réseau aux interfaces incohérentes est très important et les cristaux adjacents des deux côtés de l'interface conserveront leur réseau d'origine et seront empilés de manière rigide, ce qui rend difficile la formation de dislocations de décalage d'interface. Bien que les interfaces incohérentes soient plus courantes que les deux autres types d’interfaces, en raison de leur mauvaise correspondance de réseau et de leur faible force de liaison, l’interaction sur l’interface est très faible. Par conséquent, les interfaces incohérentes présentent rarement des phénomènes et des propriétés d’interface uniques, ce qui limite grandement la recherche et l’application d’interfaces incohérentes.
2. Recherche sur moiinterfacePles phénomènes etPpropriétésde AlN/Al2O3DanscohérentIinterface
Afin d'explorer de nouveaux phénomènes et propriétés d'interface sur les interfaces incohérentes, une équipe de recherche a mené des recherches systématiques sur les structures atomiques et électroniques et les interactions d'interface aux interfaces incohérentes. Il a été constaté qu'il existe des interactions d'interface fortes et inhabituelles sur l'interface non cohérente AlN/Al2O3 (0001) avec un grand désaccord de réseau (~ 12 %). La forte interaction d’interface régule de manière significative la structure atomique et électronique ainsi que les propriétés luminescentes de l’interface AlN/Al2O3. Les résultats de la recherche sur la caractérisation de la microstructure par microscopie électronique à transmission indiquent que des réseaux de dislocations de mésappariement d'interface et des défauts d'empilement se forment sur l'interface incohérente AlN/Al2O3, ce qui est rare sur d'autres interfaces incohérentes.
Fig. 1 Structure microscopique de l'interface incohérente AlN/Al2O3 (0001). (a, b) Images en champ clair de microscopie électronique à transmission et diagrammes de diffraction électronique de zone sélectionnée d'échantillons transversaux. La croissance épitaxiale d'un film mince d'AlN sur un substrat d'Al2O3 a entraîné un contraste inégal entre la lumière et l'obscurité à l'interface, indiquant la présence d'une concentration de contraintes à l'interface. (c, d) Images en champ clair de microscopie électronique à transmission et diagrammes de diffraction électronique à zone sélectionnée d’échantillons planaires. Un réseau de dislocations de mésappariement d'interface est formé sur l'interface.
Le spectre de perte d'énergie des électrons de valence résolu par couche atomique montre que la bande interdite à l'interface incohérente de AlN/Al2O3 diminue à environ 3,9 eV, ce qui est nettement inférieur à la bande interdite des matériaux en vrac AlN et Al2O3 (5,4 eV et 8,0 eV, respectivement). Les calculs des premiers principes indiquent que la réduction de la bande interdite à l'interface est principalement due à la formation de tétraèdres AlN3O et d'octaèdres AlN3O3 déformés à l'interface, entraînant une compétition entre les liaisons Al-N et Al-O et une augmentation de la longueur des liaisons.
Fig. 2 Structures atomiques et électroniques de l'interface AlN/Al2O3 sans défauts d'empilement. (a, b) Images HAADF et ABF en microscopie électronique à transmission par balayage. La surface atomique Al de AlN est directement liée à la surface atomique O de Al2O3 à l’interface. Le réseau d’AlN et d’Al2O3 est empilé de manière rigide, avec 8 surfaces atomiques d’AlN correspondant à 9 surfaces atomiques d’Al2O3. La reconstruction atomique et la division des colonnes atomiques d'Al se produisent à l'interface (indiquée par la flèche rouge). (c) Spectre de perte d'énergie des électrons de valence résolu par couche atomique. La bande interdite à l’interface a diminué à environ 3,9 eV, ce qui est nettement inférieur à celui des matériaux en vrac AlN et Al2O3.
Fig. 3 Structures atomiques et électroniques des zones de défauts de l'interface AlN/Al2O3. (a, b) Images HAADF et ABF en microscopie électronique à transmission par balayage. Le défaut d’empilement de l’interface se forme du côté de l’Al2O3, mais il ne modifie pas la correspondance de réseau des matériaux des deux côtés de l’interface. L’interface comporte toujours 8 faces atomiques AlN correspondant à 9 faces atomiques Al2O3. (c) Spectre de perte d'énergie des électrons de valence résolu par couche atomique. La bande interdite à l’interface a diminué à environ 3,9 eV, ce qui est nettement inférieur à celui des matériaux en vrac AlN et Al2O3.
Fig. 4 Premiers principes de calcul des structures atomiques et électroniques à l'interface AlN/Al2O3. (ac) Modèle atomique sans défauts d'empilement, densité électronique d'états et densité de charge différentielle des atomes d'Al. Modèle atomique de zone de faille d'empilement (ac), densité électronique d'états et densité de charge différentielle des atomes d'Al. Les bandes interdites dans la zone de défauts de non-empilement et dans la zone de défauts d'empilement sont respectivement de 3,3 eV et 3,4 eV. La force de liaison à l'interface est élevée, formant des tétraèdres AlN3O et des octaèdres AlN3O3 déformés, avec une compétition entre les liaisons Al-N et Al-O.
L'analyse par spectroscopie de fluorescence cathodique montre que l'interface non cohérente présente des caractéristiques de luminescence d'interface, qui peuvent émettre une lumière ultraviolette d'une longueur d'onde de 320 nm, et que l'intensité de luminescence est bien supérieure à la luminescence intrinsèque des couches minces d'AlN. Cette étude indique que les interfaces non cohérentes avec de grandes disparités de réseau peuvent présenter de fortes interactions d'interface et des propriétés d'interface uniques, approfondissant et élargissant la compréhension des interfaces non cohérentes. Il peut fournir des références et des conseils pour le développement de matériaux et de dispositifs avancés à hétérojonction basés sur des interfaces incohérentes.
Fig. 5 Mesure de fluorescence cathodique à l'interface AlN/Al2O3. (a) Images électroniques secondaires en microscopie électronique à balayage, (b) spectres de fluorescence cathodique, (c, d) cartes de distribution de fluorescence cathodique mesurées par des lasers à 210 nm et 320 nm. L'excitation lumineuse à 210 nm provient des couches minces d'AlN et l'excitation lumineuse à 320 nm provient des interfaces. L'intensité de luminescence de l'interface est nettement supérieure à la luminescence intrinsèque des couches minces d'AlN.
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