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武汉大学王建波教授团队：超薄SnO2/Ga2O3/SnO2异质结构的原子尺度表征与热稳定性研究

2019-08-28 09:42:05 浏览：11799 来源：

第一作者：胡捷

通讯作者：郑赫，王建波

单位：武汉大学

背景介绍

β-Ga₂O₃是一种重要的透明宽禁带（4.9 eV）半导体氧化物材料，由于其独特的导电性能和发光性能，在透明导电电极、场效应管、光电器件、气敏传感器等方面具有广泛的应用。对于半导体氧化物材料，利用元素掺杂可以构建出同时拥有两种材料特性的异质结构样品，从而实现对其电子结构的调控，改善导电性能和发光特性，因此，通过掺杂制备异质结构的研究具有广阔的科研和商业应用前景。SnO₂是一种成熟的n型半导体材料，因Sn⁴⁺与Ga³⁺的离子半径相近，因此被广泛应用于Ga₂O₃材料的掺杂。目前Ga₂O₃@ SnO₂异质结构的生长机理及结合方式还鲜有研究。因此，Ga₂O₃@ SnO₂异质结构的原子尺度表征及原位加热对解析异质结构材料独特的光电性能机理并探究其热稳定性有着十分重要的意义。

研究内容

本文利用化学气相沉积法制备了具有特殊取向关系的Ga₂O₃@ SnO₂核壳结构纳米线，利用电子显微技术从原子尺度对其两相界面进行了解析，在SnO₂壳层中发现了大量反相畴结构，进一步表征发现反相畴界处存在着三明治结构的SnO₂/ Ga₂O₃@ SnO₂超薄异质结。此外，利用原位加热装置探究了超薄异质结构的热稳定性。研究加深了对SnO₂ / Ga₂O₃@ SnO₂异质结构界面原子结构的理解，对Ga₂O₃@ SnO₂异质结在高温下的应用具有重要的参考意义。

图文赏析

图1. a. 单根Ga₂O₃@ SnO₂核壳结构纳米线的SE像；b-e. 单根Ga₂O₃@ SnO₂核壳结构纳米线的高倍SE像及对应的EDS元素分布图；f-i. Ga₂O₃@ SnO₂核壳结构纳米线横截面的SE像及对应的EDS元素分布图。

图2. a. Ga₂O₃@ SnO₂核壳结构纳米线横截面的BF像，插图为Ga₂O₃核中孪晶界的HAADF像；b. Ga₂O₃核与SnO₂壳层界面的HAADF像；c，d. 图a中蓝色圆圈区域的选区电子衍射及对应的模拟衍射花样。a: Bar = 200 nm, inset: Bar = 2 nm; b: Bar = 2 nm

图3. a-d. 横截面样品中Ga2O3 -SnO2共生结构的HAADF像及对应的EDS能谱分布图；e, f. 横截面样品中Ga2O3 -SnO2共生结构的HAADF像和对应的原子模型；g-j. 纵截面样品中Ga2O3-SnO2共生结构的HAADF像及对应的EDS能谱分布图；k, l. 纵截面样品中Ga2O3 -SnO2共生结构的HAADF像和对应的原子模型。a-d: Bar = 2 nm; e: Bar = 1 nm; g-j: Bar = 5 nm; k: Bar = 1 nm

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图4. a-d. 平行于Ga₂O₃-SnO₂共生结构的纳米桥的原位加热过程，插图为放大的HAADF像；e-h. 垂直于Ga₂O₃-SnO₂共生结构的纳米桥的原位加热过程。a-d: Bar = 5 nm, insets: Bar = 1 nm; e-h: Bar = 2 nm

总结与展望

本文利用化学气相沉积法成功制备了Ga2O3 @ SnO2核壳结构纳米线，并得到Ga2O3 -SnO2的取向关系，在SnO2壳层的反相畴界处发现了大量三明治结构的SnO2 / Ga2O3/ SnO2超薄异质结，结合样品的生长条件与TEM表征结果，作者分别提出了Ga2O3 @ SnO2核壳结构纳米线与三明治结构SnO2 / Ga2O3 / SnO2超薄异质结的生长机理。此外，原位加热实验结果显示SnO2 / Ga2O3 / SnO2超薄异质结在高温下始终保持原子结构稳定，超薄Ga2O3层在温度高达800 ℃时才随SnO2的分解开始一并分解，说明其具有优异的热稳定性。本文研究结果丰富了异质结的种类，并加深了对异质结构生长机理的理解，为异质结材料的生长和高温下的应用提供了重要参考。

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