2Dマグネシウム介在性窒化ガリウム超格子の観察

置換マグネシウム（Mg）アトムス1,2のドーピングを介してp型窒化ガリウム（GAN）のデモンストレーション以来、青色光発光ダイオードなどの迅速かつ包括的な開発は、私たちの現代の生活をかなり形作り、より炭素に貢献しました。ニュートラルソサエティ3-5。ただし、GANとMGの相互作用の詳細は、ほとんど不明のままです。ここでは、Mg介入されたGANの超格子が、大気圧でGANの金属MGフィルムをアニーリングすることにより、自然に形成できることを観察します。私たちの知る限り、これはバルク半導体に挿入された2次元の金属の最初のインスタンスであり、各Mg単層が六角形Ganのいくつかの単層の間に複雑に挿入されます。間質性挿入として特徴付けられるこのプロセスは、間質層に対して垂直な実質的な一軸圧縮ひずみを誘導します。その結果、Mg介在GAN超格子のGAN層は、薄膜材料について最高の記録されたものの中で、-10％を超える例外的な弾性ひずみを-10％（20 GPAを超えるストレスに相当）を示します。ひずみは電子バンド構造を変化させ、圧縮方向に沿って穴の輸送を大幅に強化します。さらに、MGシートはGAN極性に一意の周期的遷移を誘導し、偏光フィールド誘導ネットチャージを生成します。これらの特性は、半導体ドーピングと導電率の向上、およびナノ材料と金属半導体の超格子の弾性ひずみ工学に関する新たな洞察を提供します13。

Since the demonstration of p-type gallium nitride (GaN) through doping with substitutional magnesium (Mg) atoms1,2, rapid and comprehensive developments, such as blue light-emitting diodes, have considerably shaped our modern lives and contributed to a more carbon-neutral society3-5. However, the details of the interplay between GaN and Mg have remained largely unknown6-11. Here we observe that Mg-intercalated GaN superlattices can form spontaneously by annealing a metallic Mg film on GaN at atmospheric pressure. To our knowledge, this marks the first instance of a two-dimensional metal intercalated into a bulk semiconductor, with each Mg monolayer being intricately inserted between several monolayers of hexagonal GaN. Characterized as an interstitial intercalation, this process induces substantial uniaxial compressive strain perpendicular to the interstitial layers. Consequently, the GaN layers in the Mg-intercalated GaN superlattices exhibit an exceptional elastic strain exceeding -10% (equivalent to a stress of more than 20 GPa), among the highest recorded for thin-film materials12. The strain alters the electronic band structure and greatly enhances hole transport along the compression direction. Furthermore, the Mg sheets induce a unique periodic transition in GaN polarity, generating polarization-field-induced net charges. These characteristics offer fresh insights into semiconductor doping and conductivity enhancement, as well as into elastic strain engineering of nanomaterials and metal-semiconductor superlattices13.