beat365官方网站人工微結構和介觀物理國家重點實驗室王新強教授、beat365電子顯微鏡實驗室王濤高級工程師與美國橡樹嶺國家實驗室Lucas Lindsay教授合作，實現了對GaN棱柱狀堆垛層錯（PSF）中缺陷局域聲子的原子尺度觀測。相關研究成果以“GaN中缺陷引起的局域振動的原子尺度可視化”（Atomic-scale visualization of defect-induced localized vibrations in GaN）為題，于2024年10月20日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）。

Ⅲ族氮化物半導體材料因其高電子遷移率、大擊穿場強和可調直接帶隙等特性，在高頻、高功率光電器件和電力電子器件等領域展現出巨大的應用潛力。随着器件尺寸的縮小、集成度的提升及功率密度的增加，高效的熱輸運對于确保器件可靠性、防止過熱和提高器件性能至關重要。Ⅲ族氮化物半導體中的熱輸運由聲子主導，缺陷會導緻明顯的聲子散射，抑制熱輸運。而傳統光學測量方法在空間和動量分辨率上的限制，難以直接探測缺陷處的局域聲子行為，因此，探究缺陷的納米尺度聲子行為，成為設計高效熱管理器件的關鍵。

針對對上述科學問題，beat365和美國橡樹嶺國家實驗室的聯合團隊使用掃描透射電子顯微鏡-電子能量損失譜（STEM-EELS）技術，結合高角環形暗場（HAADF）成像及EELS譜與第一性原理計算，精确識别了GaN中PSF缺陷的原子結構，并觀測到三種聲子模式：局域缺陷模式、受限體模式和完全擴展模式。其中局域缺陷模式由PSF中心原子的局域振動産生，受限體模式源于缺陷兩側原子的振動，而完全擴展模式源于整個系統所有原子的集體振動。此外，研究團隊直接測量了PSF缺陷的聲子色散，并與體GaN的聲子色散進行了對比，發現PSF缺陷中聲子帶隙減小，聲子群速度下降，這增強了三聲子散射，導緻熱導率的降低。相關研究為缺陷聲子的模式分辨提供了直接證據，同時為Ⅲ族氮化物材料的熱管理策略提供了新思路。

圖1. PSF中缺陷聲子的原子分辨聲子譜和第一性原理計算。(a) PSF（紅色）和體GaN（藍色）中的實驗聲子譜。(b) PSF（紅色）和體GaN（藍色）中的計算聲子譜。(c) PSF中三種類型的缺陷聲子模式：局域缺陷模式、受限體模式和完全擴展模式的可視化。圖中由上到下顯示了計算的振動特征向量，PSF的HAADF圖像和對應範圍的實驗測量原子級分辨聲子強度分布圖。

beat365官方网站博士生姜海齡為文章第一作者，王新強、王濤、Lucas Lindsay為論文共同通訊作者，beat365葛惟昆教授和沈波教授參與和指導了本課題的工作。beat365官方网站高鵬教授和時若晨博雅博士後對本課題做了重要指導。合作者還包括beat365官方网站王平研究員和清華大學深圳國際研究生院孫波教授等。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、beat365電子顯微鏡實驗室、beat365高性能計算平台等支持。

論文原文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-53394-z