Nat. commun: 六方和立方氧化物之间的界面及其结构转变

【引言】

近年来，为了制造多功能电子器件，研究人员对具有不同对称结构的两种材料的界面结构展开了大量的研究。但是，生长方向与生长条件息息相关，因而引出来一系列亟待研究的问题。值得注意的是，实验发现当ZnO中心对称性破坏后，由于衬底耦合平面取向的改变使得器件性能得到改善。这种效应类似于同种催化剂不同的平面具有不同的催化活性。此外，制备高质量的薄膜以改善光电子器件的性能也十分重要。因此，设计不同的耦合平面以改善器件性能成为ZnO研究中的一大热点。然而，要想通过ZnO与其他材料的合成来制造新型器件，必须要了解不同界面之间的生长取向和微观结构。然而，目前还缺乏足够的研究来揭示不同生长方向界面微观结构的特征，相关机制的讨论更是欠缺。

【成果简介】

近日，美国布鲁克海文国家实验室朱溢眉教授、厦门大学王惠琼教授和郑金成教授（共同通讯作者）等人在Nat. Commun上发表了一篇名为“Interfaces between hexagonal and cubic oxides and their structure alternatives”的文章。功能材料的多层结构通常是不同结晶相的组合，由于面内结构对称性存在多种不兼容的状况，所以薄膜的生长取向经常发生转变。不过，转变的具体机制并未得到合理的解释。该研究利用先进的扫描透射电子显微镜，X射线衍射和第一性原理计算，对在立方（001）-氧化镁（MgO）衬底上异质外延生长的六方氧化锌（ZnO）薄膜进行了深入探究，揭示了（001）ZnO /（001）MgO和（100）ZnO /（001）MgO两种主要的界面模型。该研究发现可以通过控制形核时的热力学对膜层的结构进行选择，而动力学上则是在相变过程中通过增强Zn吸附和氧的扩散来实现结构的选择。这项工作不仅为具有不同结晶相界面的制造提供了指导，而且还阐述了极性和非极性六方ZnO膜在同一立方体基底上制备的过程。

【图文导读】

图1. 氧化锌的生长方向

通过生长温度和氧气分压来控制生长取向的变化

图2. c-ZnO的取向关系

a）极性膜c-ZnO-I区域的横截面扫描透射电子显微镜（STEM）下的高角度环形暗场（HAADF）图像，标尺为2nm

b）极性膜c-ZnO-II区域的横截面扫描透射电子显微镜（STEM）下的高角度环形暗场（HAADF）图像，标尺为2nm

c）根据STEM图像，沿着[100]方向c-ZnO-I的界面投影（上图）和沿着[-1-20]方向c-ZnO-II的界面投影（下图）

d）c中棕色矩形包含区域的顶视图

图3. c-ZnO和m-ZnO的取向关系

a）c-ZnO膜的X射线衍射（XRD）ϕ扫描

b）c-ZnO膜的电子衍射图（EDP）

c）m-ZnO膜的XRD ϕ扫描图像

d）m-ZnO膜的[011]区的EDP

图4. m-ZnO的取向关系

a）m-平面薄膜m-ZnO-I区域的扫描透射电子显微镜(STEM) 的高角度环形暗场（HAADF）图像，标尺为2nm

b）m-平面薄膜m-ZnO-II区域的扫描透射电子显微镜(STEM) 的高角度环形暗场（HAADF）图像，标尺为2nm

c）从STEM图像中得到沿着[011] 方向m-ZnO-I（上图）和沿着[08-3]方向m-ZnO-II（下图）的界面投影

d）c中棕色矩形包含区域的顶视图

【结论】

作者研究了生长取向转变的机制，这种转变受生长温度和压力的共同调控，类似于水蒸发的相变。通过XRD，EDP和STEM以及基于DFT的第一性原理计算充分表征了c-ZnO / MgO和m-ZnO / MgO的界面结构，揭示了c-ZnO薄膜的两个旋转域和m-ZnO薄膜的四个旋转域及其界面稳定性。此外，还从热力学和动力学两个角度探究了控制生长取向的机制。在热力学上，具有较大接触角（例如≥11°）的c-ZnO的形核势垒低于具有较小接触角（例如≤4°）的m-ZnO的形核势垒。在动力学上，在生长温度较低或氧气压力较大，基体上只有少量Zn原子吸附、少量O原子扩散的情况下，成核途径遵循有接触角、O终止于界面处的三维模型，导致沿着c面方向的生长。相反，在较高的生长温度下，Zn原子吸附和O原子扩散都增强，促使成核模型从三维模型向准二维模型转变，导致了沿m平面方向的生长。热力学和动力学机制解释了由生长温度和压力引起的生长方向转变。此次研究不仅提供了立方和纤锌矿相之间界面耦合的清晰图像，而且提出了合理的理论模型来解释生长方向转变的现象。

【文献信息】

文献链接：Interfaces between hexagonal and cubic oxides and their structure alternatives（Nature Communications，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01655-5）

本文由材料人编辑部金属材料学术组Nancy整理编译，点我加入材料人编辑部。

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