Nat. Commun.： 简易方法制备厘米级大孔单晶

【引言】

多孔固态材料在（电）催化、分离、光伏和化学/电能储存等多种应用中广泛使用，通过孔隙率提供大的表面积，提高效率，容量和反应动力学。传统上通过加工和热烧结纳米晶粉末来实现孔径大于500nm的孔隙率，最终形成多孔陶瓷。多孔材料的发展引起了科员人员很大的兴趣，并有望在新一代（光电）器件，催化剂和超级电容器的创造中发挥重要作用。合成多孔材料通常是基于模板法，以指导无机基体和孔隙的形状和大小。然而，现代电子学和光电子学领域需要具有扩展的长程有序的材料，即大块单晶结晶度以通过在晶界处的散射使损失最小化。另外，将多孔结构引入到这些单晶体中，将允许开发下一代高效率的发光二极管（LED），低损耗波导和太阳能电池。

【成果简介】

近日，中国科学院福建物质结构研究所谢奎等人同国家科学技术部台湾材料光电科学研究所Mitch M. C. Chou在Nature. Communications.上发表了题为“In situ inward epitaxial growth of bulk macroporous single crystals”的文章。通过常用方法来制备了厘米级的大孔氮化镓单晶。合成策略建立在破坏性晶体生长机制的基础上，该机制利用母体LiGaO₂单晶的直接氮化实现向内外延生长过程。所得到的单晶显示出与通过常规钠通量法生长的块状晶体相当的电子迁移率。（注：向内外延生长这个概念不知道是否准确，没查到）

【图文导读】

图1. LiGaO₂和GaN的晶体结构

（a）和（c） LiGaO₂的晶体结构。

（b）和（d） GaN的晶体结构。

图2. 增长机制的示意图

（a） LiGaO₂母体单晶的氮化处理制备大孔GaN单晶的示意过程

（b） 制备尺寸为40mm×20mm×0.5mm的自支撑大孔径GaN单晶

图3. X射线衍射图案和SEM图像

（a）裸露c面的大孔GaN膜和大孔GaN块状晶体的XRD

（b）围绕其c轴旋转的氮化样品的（1011）平面的X射线衍射扫描显示间隔60°的峰

（c）自支撑大孔径GaN单晶的横截面图，比例尺表示500μm

（d）裸露c面的大孔GaN单晶的俯视图，比例尺表示200nm

图4. 在LiGaO₂（001）衬底上外延生长的多孔GaN膜的横截面的TEM表征

（a）晶带轴的明场TEM图像

（b）靠近表面的GaN的高分辨率TEM图像

（c）晶带轴的界面处的高分辨率TEM图像

图5. 光谱表征和电子迁移率比较

（a）室温下自支撑大孔GaN单晶的阴极发光图

（b）光致发光光谱

（c）大孔径GaN单晶的Hall迁移率

（d）LiGaO₂母体单晶衬底、大孔GaN膜和块状单晶微拉曼光谱

【小结】

本实验通过用于在母体单晶上原位向内外延生长来生成大尺寸大孔单晶，所获得的含有数十纳米到数百纳米的3D互连孔的单晶大孔GaN膜和块状晶体的尺寸是空前的厘米级，即典型晶片的尺寸。GaN单晶的机械和化学稳定性、生物相容性以及电学和光学活性性质、孔单晶具有良好的结晶性，高光学质量和有吸引力的电子传输性能、大孔结构的高表面积性质使其成为例如光电子和电子学领域的先进技术应用的有前景的构件。

此外，本研究中使用的CVD工艺简单，经济，与工业GaN技术兼容，因此适用于进一步的放大和器件集成，且以较低的成本大量提供大尺寸大孔径GaN单晶。这种方法不仅通过合成改性提供了对晶体和孔径尺寸的控制，而且证明了通用性，因此开辟了在大量其他材料中设计大孔晶体的可能性。

文献链接：In situ inward epitaxial growth of bulk macroporous single crystals（Nat. Commun.2017，DOI：10.1038/s41467-017-02197-6）

本文由材料人编辑部张润凯编译， 陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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