YYVIP易游科学家利用扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失谱（EELS）揭示GaN中棱柱堆垛层错（PSF）附近的缺陷声子模式！

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站随着电子器件功率密度的不断提升，热管理问题成为了科学家们关注的焦点。氮化镓（GaN）作为一种重要的宽禁带半导体材料，因其优异的电子和光电子性能广泛应用于功率电子器件和光电子器件。然而，随着器件尺寸逐渐接近纳米尺度，热传输效率的下降对器件的可靠性和性能产生了不利影响，其中，晶格中的结构缺陷对声子的散射尤为显著，严重影响了氮化镓的热导率。因此，理解氮化镓材料中声子行为和传输的机制，特别是在缺陷存在的情况下，成为了当前热管理研究领域的一大难题。

　　声子是III-氮化物半导体中主导热传导的基本准粒子。然而，GaN薄膜在生长过程中通常沉积在蓝宝石或硅等衬底上，由于界面处的晶格失配，导致大量的结构缺陷生成，包括晶界、位错、基面堆垛缺陷（BSF）和棱柱堆垛缺陷（PSF）等。这些缺陷引起的局域振动与声子传播之间的相互作用，可能导致声子散射增强、声速降低，从而影响热导率并削弱器件的散热能力。因此，深入研究这些结构缺陷中的声子行为，尤其是它们如何与声子产生相互作用，对于设计更高效的热管理方案至关重要。

　　在氮化镓材料中，棱柱堆垛缺陷（PSF）是一种典型的平面缺陷，其具有更好的周期性结构，能够减少由于中心对称性破坏导致的偶极散射信号。因此，PSF在氮化镓的缺陷研究中占据重要位置。然而，传统的声子探测方法，如拉曼散射光谱，由于其空间分辨率受限，无法在纳米尺度上有效探测这些局域的缺陷振动模式。随着扫描透射电子显微镜（STEM）和电子能量损失谱（EELS）等先进表征技术的发展，这些工具提供了高空间和能量分辨率，使得研究纳米尺度缺陷区域的局域声子模式成为可能。

　　北京大学王新强教授团队结合STEM和EELS技术，对GaN中的PSF进行了详细的振动模式研究。通过实验和从头计算的结合，他们首次发现了三种不同的声子模式：局域缺陷模式（LDM）、受限体模式（CBM）和完全扩展模式（FEM）。LDM主要由PSF中心的原子振动产生，CBM存在于缺陷两侧的原子上，但不直接受到缺陷原子振动的影响，而FEM则是分布在整个系统中的去局域化模式。此外，研究结果表明，PSF中声子能量间隙较小，声学声速降低，这可能导致缺陷区域热阻的增加，从而对材料的热传导产生负面影响。

　　表征解读】本文通过先进的表征技术，特别是扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失谱（EELS），深入研究了GaN中棱柱堆垛层错（PSF）附近的缺陷声子模式，揭示了其独特的声子行为。STEM-EELS技术的高空间分辨率和能量分辨率使得作者能够清晰地观察到缺陷区域的局部声子模式分布，从而为分析PSF缺陷的声子特性提供了直接的实验依据。

　　首先，通过STEM-EELS，作者发现了PSF缺陷区域周围存在明显的声子模式变化。利用该技术，作者能够在纳米尺度上对PSF附近的声子模式进行精细表征。具体而言，作者发现PSF附近的声子模式分为三种类型：局限于PSF的声子模式（LDMs）、局限于体材料的声子模式（CBMs），以及扩展到两者之间的声子模式（FEMs）。这种发现揭示了PSF缺陷对GaN声子行为的深刻影响，特别是声子-声子散射效应的增强。

　　针对这些声子模式的观察，作者进一步结合第一性原理的计算，得到了对PSF的详细微观机制理解。DFT计算与实验结果的结合，使作者能够准确地判定PSF的原子结构为DPB*-I，并揭示了缺陷区域内声子色散的特征。通过与体材料中声子色散的对比，发现PSF区域的声学模式与光学模式之间的能隙缩小，这表明PSF缺陷可能导致声子-声子散射的增强，从而影响GaN的热导率。这一结果为GaN材料的热管理应用提供了重要参考。

　　此外，本文还利用4D-EELS技术，对PSF附近的声子色散进行了详细测量，进一步证实了声学模式与光学模式之间能隙缩小的现象。通过与体GaN的比较，作者发现PSF处的平均声速降至约缺陷-free GaN的74%，这一发现得到了DFT计算的支持。通过这些精细的表征手段，作者不仅揭示了PSF缺陷对声子行为的影响，还为未来基于缺陷工程的声子衍生应用提供了新的思路。

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