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1. Antecedentes da Pesquisa de Interfaces Incoerentes

As interfaces funcionais de materiais têm atraído muita atenção devido ao fato de frequentemente exibirem novos fenômenos físicos e químicos e propriedades que diferem dos materiais a granel. Por exemplo, gás de elétrons bidimensional, supercondutividade de interface, luminescência de interface e magnetismo de interface foram descobertos em interfaces de materiais. Esses interessantes fenômenos e propriedades de interface são geralmente atribuídos a fortes interações físicas e químicas na interface, de modo que ocorrem principalmente em interfaces coerentes e semi-coerentes.

Da interface coerente à interface semi-coerente e, em seguida, à interface incoerente, a incompatibilidade de rede na interface continua a aumentar, resultando em diferentes mecanismos de ajuste de incompatibilidade de rede e estruturas de interface na interface do material. A incompatibilidade de rede da interface coerente é pequena, e a incompatibilidade de interface é ajustada pela deformação elástica de duas redes adjacentes, formando uma estrutura de interface perfeitamente combinada entre os átomos na interface; A incompatibilidade de rede na interface semi-coerente é moderada, compensada pela formação de arranjos periódicos de discordâncias de incompatibilidade de interface. A incompatibilidade de rede em interfaces incoerentes é muito grande, e os cristais adjacentes em ambos os lados da interface manterão sua rede original e serão empilhados rigidamente juntos, dificultando a formação de discordâncias de incompatibilidade de interface. Embora as interfaces incoerentes sejam mais comuns do que os outros dois tipos de interfaces, devido à sua fraca correspondência de rede e à fraca força de ligação da interface, a interação na interface é muito fraca. Portanto, interfaces incoerentes raramente exibem fenômenos e propriedades de interface únicas, o que limita bastante a pesquisa e aplicação de interfaces incoerentes.

2. Pesquisa sobre euinterfacePfenômenos ePcordasde AlN/Al2O3EmcoerenteIinterface

A fim de explorar novos fenômenos e propriedades de interface em interfaces incoerentes, uma equipe de pesquisa conduziu pesquisas sistemáticas sobre as estruturas atômicas e eletrônicas e as interações de interface em interfaces incoerentes. Verificou-se que existem fortes interações de interface incomuns na interface não coerente de AlN/Al2O3 (0001) com grande incompatibilidade de rede (~12%). A forte interação da interface regula significativamente a estrutura atômica e eletrônica e as propriedades luminescentes da interface AlN/Al2O3. Os resultados da pesquisa de caracterização da microestrutura por microscopia eletrônica de transmissão indicam que redes de deslocamento de incompatibilidade de interface e falhas de empilhamento são formadas na interface incoerente de AlN/Al2O3, o que é raro em outras interfaces incoerentes.

Figura 1 Estrutura microscópica da interface incoerente AlN/Al2O3 (0001). (a, b) Imagens de campo claro de microscopia eletrônica de transmissão e padrões de difração de elétrons de áreas selecionadas de amostras transversais. O crescimento epitaxial do filme fino de AlN no substrato Al2O3 resultou em um contraste desigual entre claro e escuro na interface, indicando a presença de concentração de tensão na interface. (c, d) Imagens de campo claro de microscopia eletrônica de transmissão e padrões de difração de elétrons de áreas selecionadas de amostras planas. Uma rede de deslocamento de incompatibilidade de interface é formada na interface.

O espectro de perda de energia eletrônica de valência resolvido pela camada atômica mostra que o bandgap na interface incoerente de AlN / Al2O3 diminui para ~ 3,9 eV, significativamente menor que o bandgap de materiais a granel de AlN e Al2O3 (5,4 eV e 8,0 eV, respectivamente). Os cálculos dos primeiros princípios indicam que a redução do bandgap na interface se deve principalmente à formação de tetraedros AlN3O distorcidos e octaedros AlN3O3 na interface, resultando na competição entre as ligações Al-N e Al-O e um aumento no comprimento da ligação.

Figura 2 Estruturas atômicas e eletrônicas da interface AlN/Al2O3 sem falhas de empilhamento. (a, b) Imagens HAADF e ABF de microscopia eletrônica de transmissão de varredura. A superfície atômica Al do AlN está diretamente ligada à superfície atômica O do Al2O3 na interface. A rede de AlN e Al2O3 é empilhada rigidamente, com 8 superfícies atômicas de AlN correspondendo a 9 superfícies atômicas de Al2O3. A reconstrução atômica e a divisão das colunas atômicas de Al ocorrem na interface (indicada pela seta vermelha). (c) Espectro de perda de energia eletrônica de valência resolvido pela camada atômica. O bandgap na interface diminuiu para ~3,9 eV, significativamente menor que o dos materiais a granel AlN e Al2O3.

Fig. 3 Estruturas atômicas e eletrônicas das zonas de falha da interface AlN/Al2O3. (a, b) Imagens HAADF e ABF de microscopia eletrônica de transmissão de varredura. A falha de empilhamento da interface é formada no lado do Al2O3, mas não altera a correspondência da rede dos materiais em ambos os lados da interface. A interface ainda possui 8 faces atômicas de AlN correspondendo a 9 faces atômicas de Al2O3. (c) Espectro de perda de energia eletrônica de valência resolvido pela camada atômica. O bandgap na interface diminuiu para ~3,9 eV, significativamente menor que o dos materiais a granel AlN e Al2O3.

Fig. 4 Cálculos de primeiros princípios das estruturas atômicas e eletrônicas na interface AlN/Al2O3. (ac) Modelo atômico sem falhas de empilhamento, densidade eletrônica de estados e densidade diferencial de carga de átomos de Al. Modelo atômico de zona de falha de empilhamento (ac), densidade eletrônica de estados e densidade de carga diferencial de átomos de Al. Os intervalos de banda na zona de falha não empilhável e na zona de falha empilhável são 3,3 eV e 3,4 eV, respectivamente. A força de ligação na interface é alta, formando tetraedros AlN3O distorcidos e octaedros AlN3O3, com competição entre ligações Al-N e Al-O.

A análise de espectroscopia de fluorescência catódica mostra que a interface não coerente possui características de luminescência de interface, que pode emitir luz ultravioleta com comprimento de onda de 320 nm, e a intensidade de luminescência é muito maior que a luminescência intrínseca dos filmes finos de AlN. Este estudo indica que interfaces não coerentes com grandes incompatibilidades de rede podem exibir fortes interações de interface e propriedades de interface únicas, aprofundando e expandindo a compreensão das pessoas sobre interfaces não coerentes. Ele pode fornecer referência e orientação para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avançados de heterojunção baseados em interfaces incoerentes.

Fig. 5 Medição de fluorescência catódica na interface AlN/Al2O3. (a) Imagens eletrônicas secundárias de microscopia eletrônica de varredura, (b) espectros de fluorescência catódica, (c, d) mapas de distribuição de fluorescência catódica medidos por lasers de 210 nm e 320 nm. A excitação luminosa de 210 nm vem de filmes finos de AlN e a excitação luminosa de 320 nm vem de interfaces. A intensidade da luminescência da interface é significativamente maior que a luminescência intrínseca dos filmes finos de AlN.

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