二維氮化鎵(GaN)由于其量子效應能產生理想的深紫外發射、激子效應和電子傳輸特性而備受關注。然而，目前所獲得的二維GaN只能作為原子薄量子阱或納米級孤島的嵌入層存在，限制了對其內在特性的進一步探索。本文報道了通過表面氮化反應在液態金屬上生長微米橫向尺寸的二維GaN單晶，證明了二維GaN具有均勻的增長晶格、的聲子晶體振動、藍移的熒光發射和較高的內量子效率，為先前的理論預測提供了直接的證據。生長的二維GaN的電子遷移率為160 cm²V^-1s^-1。這些發現為二維GaN單晶的潛在光電子應用鋪平了道路。

成果簡介：武漢大學化學與分子科學學院Yunxu Chen, Keli Liu, Jinxin Liu, Tianrui Lv, Bin Wei, Tao Zhang, Mengqi Zeng , Zhongchang Wang and Lei Fu*通過表面氮化反應在液態金屬上生長微米橫向尺寸的二維GaN單晶，并得到了很好的應用效果，為先前的理論預測提供了直接的證據。相關成果以“Growth of 2D GaN Single Crystals on Liquid Metals”為題發表在國際頂刊JACS上。（DOI: 10.1021/jacs.8b08351）

圖文導讀：

尿素粉末被放置在離1區幾厘米的地方，而由W箔支撐的Ga球團則放置在2區。2區溫度達到1080℃時，熔融Ga在W表面分散，尿素入1區，加熱至160℃，然后，通過表面氮化反應(SCNR)，在1080℃的液態鎵表面形成二維GaN。

二維GaN單晶的形貌和化學分析。

1. 二維GaN晶體的AFM圖像，相應的厚度分布。

2. 二維GaN晶體的高分辨透射電鏡圖像，超薄六邊形。

   (C)六方GaN單晶EDS元素分析，Ga和N的均勻分布。

    

    

    

3. 
   

二維GaN單晶的原子結構,六方緊密堆積結構。

1. GaN晶體結構模型。

   (B,C) 沿[0001]面獲得的二維GaN晶體的HAADF(B)和BF-STEM(C)圖像。

   （D）[0001]面的EDS元素分析。

   (E,F) HAADF(E)和BF-STEM(F)圖。([1010]面)

    

二維GaN單晶的表征。

1. 塊狀GaN和2D GaN晶體的SAED衍射點圖示。晶格參數增大。

2. 對(A)中衍射點強度分析。

3. 塊狀GaN和厚度為5.2 nm的二維GaN的拉曼光譜。E2峰藍移（567.2~566.2cm^-1）,強度增加，說明結晶度高。出現A1和E1，由體相光無序散射引起的拉曼偏振選擇規則被打破形成。

   (D)塊體GaN和厚度為5.2 nm的二維GaN的PL光譜，藍移，更靠近紫外發射區，強度提高48倍，內量子效應的**提高，并且隨著厚度降低。強度還會提升。

二維GaN單晶形成FET（場效應晶體管）器件來探索其本征電子特性。

1. 二維GaN FET原理圖。

2. 二維GaN晶體場效應管的假彩色掃描電鏡圖。（以機械剝離石墨烯薄膜作為接觸層獲得更好的歐姆接觸）

3. 在V_DS=1V時的I_DS-V_g特征曲線，**的N型導電。

   (D)不同V_g值下I_ds-V_ds特征曲線。計算了其電子遷移率為160 cm²V^-1s^-1，開/關比為10⁶。

    

    

   小結：

   本文報道了通過表面氮化反應成功地生長出橫向尺寸可達50μm的高晶二維GaN單晶，并研究了GaN單晶在二維下的特性，如晶格參數增大、特殊聲子晶體振動模式、藍移PL發射和提高的內量子效率等。制備的二維GaN單晶具有很高的電子遷移率。我們的策略為制備具有較大橫向尺寸的高晶二維GaN單晶開辟了一條新的途徑，不同于塊狀GaN的特性表明它們對未來的納米電子學有很大的發展前景。