太阳成集团tyc234cc人工微结构和介观物理国家重点实验室王新强教授、太阳成集团tyc234cc电子显微镜实验室王涛高级工程师与美国橡树岭国家实验室Lucas Lindsay教授合作，实现了对GaN棱柱状堆垛层错（PSF）中缺陷局域声子的原子尺度观测。相关研究成果以“GaN中缺陷引起的局域振动的原子尺度可视化”（Atomic-scale visualization of defect-induced localized vibrations in GaN）为题，于2024年10月20日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

Ⅲ族氮化物半导体材料因其高电子迁移率、大击穿场强和可调直接带隙等特性，在高频、高功率光电器件和电力电子器件等领域展现出巨大的应用潜力。随着器件尺寸的缩小、集成度的提升及功率密度的增加，高效的热输运对于确保器件可靠性、防止过热和提高器件性能至关重要。Ⅲ族氮化物半导体中的热输运由声子主导，缺陷会导致明显的声子散射，抑制热输运。而传统光学测量方法在空间和动量分辨率上的限制，难以直接探测缺陷处的局域声子行为，因此，探究缺陷的纳米尺度声子行为，成为设计高效热管理器件的关键。

针对对上述科学问题，太阳成集团tyc234cc和美国橡树岭国家实验室的联合团队使用扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，结合高角环形暗场（HAADF）成像及EELS谱与第一性原理计算，精确识别了GaN中PSF缺陷的原子结构，并观测到三种声子模式：局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式。其中局域缺陷模式由PSF中心原子的局域振动产生，受限体模式源于缺陷两侧原子的振动，而完全扩展模式源于整个系统所有原子的集体振动。此外，研究团队直接测量了PSF缺陷的声子色散，并与体GaN的声子色散进行了对比，发现PSF缺陷中声子带隙减小，声子群速度下降，这增强了三声子散射，导致热导率的降低。相关研究为缺陷声子的模式分辨提供了直接证据，同时为Ⅲ族氮化物材料的热管理策略提供了新思路。

图1. PSF中缺陷声子的原子分辨声子谱和第一性原理计算。(a) PSF（红色）和体GaN（蓝色）中的实验声子谱。(b) PSF（红色）和体GaN（蓝色）中的计算声子谱。(c) PSF中三种类型的缺陷声子模式：局域缺陷模式、受限体模式和完全扩展模式的可视化。图中由上到下显示了计算的振动特征向量，PSF的HAADF图像和对应范围的实验测量原子级分辨声子强度分布图。

太阳成集团tyc234cc博士生姜海龄为文章第一作者，王新强、王涛、Lucas Lindsay为论文共同通讯作者，太阳成集团tyc234cc葛惟昆教授和沈波教授参与和指导了本课题的工作。太阳成集团tyc234cc高鹏教授和时若晨博雅博士后对本课题做了重要指导。合作者还包括太阳成集团tyc234cc王平研究员和清华大学深圳国际研究生院孙波教授等。

上述研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、太阳成集团tyc234cc电子显微镜实验室、太阳成集团tyc234cc高性能计算平台等支持。

论文原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-53394-z