二维GaN-SiS范德华异质结构中载流子迁移率的理论预测与电子传输性能优化

【编辑推荐】为解决二维材料在纳米电子器件中载流子迁移率与带隙难以平衡的问题，研究人员通过理论计算分析了二维GaN-SiS范德华(vdW)异质结构的本征电子/空穴迁移率。结果表明，其y轴电子迁移率(14,220 cm2 V?1 s?1 )显著优于GaN-ZnO/MoS2 /WS2 体系，而空穴迁移率(<36 cm2 V?1 s?1 )因界面散射被强烈抑制。该研究为定向电子传输材料设计提供了新思路。

　　

在纳米电子器件飞速发展的今天，二维材料因其独特的物理性质成为研究热点。从石墨烯(graphene)惊人的载流子迁移率(～200,000 cm²
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)，到二维黑磷(2D BP)的直接带隙(～0.3 eV)和高空穴迁移率(>10,000 cm²
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)，科学家们不断探索理想半导体材料。然而，石墨烯的零带隙、黑磷的环境不稳定性，以及MoS₂
的低迁移率(60–72 cm²
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)等缺陷，制约着实际应用。近年来，二维氮化镓(2D GaN)因其高熔点(～2500 °C)、大杨氏模量(～20 GPa)和优异电子迁移率(424–1437 cm²
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)崭露头角，但2.0 eV的宽带隙限制了其在光电器件中的应用。

为突破这些限制，邯郸市科技计划项目支持的研究团队将目光投向范德华(van der Waals, vdW)异质结构。他们选择二维GaN-SiS体系作为典型代表，通过理论计算系统研究了其本征载流子迁移率特性，相关成果发表在《Micro and Nanostructures》。

研究采用变形势(Deformation Potential, DP)理论计算二维材料的本征迁移率，结合第一性原理计算能带结构。通过分子动力学模拟和声子谱分析验证结构稳定性，利用六方超胞模型计算弹性常数，并采用HSE06杂化泛函校正能带值。

研究基于有效质量近似，考虑声学声子(Acoustic Phonon, AP)散射主导机制，建立载流子迁移率与弹性模量、形变势常数、有效质量的关系模型。 在晶格失配仅1.3%的GaN-SiS异质结构中，最稳定堆叠构型显示直接带隙(1.51 eV)。电子迁移率沿y轴达14,220 cm² V^?1 s^?1 ，远超GaN-ZnO(3232 cm² V^?1 s^?1 )、GaN-MoS₂ (906 cm² V^?1 s^?1 )和GaN-WS₂ (181 cm² V^?1 s^?1 )，而空穴迁移率因界面散射骤降至20 cm² V^?1 s^?1 。 能带分析显示导带底(Conduction Band Minimum, CBM)区域色散更尖锐，对应更小有效质量，而价带顶(Valence Band Maximum, VBM)附近存在强各向异性。这种电子-空穴迁移率的极端不对称性，源于异质界面引起的声子散射增强效应。 该研究首次揭示二维GaN-SiS异质结构具有定向高电子迁移特性，其性能调控可通过堆叠工程实现。这种"电子高速通道"与"空穴阻塞"的协同效应，为设计新型电子传输系统——特别是需要特定传导方向(y轴)的纳米器件——提供了理论依据。河北光纤生物传感与通信器件重点实验室的Lijia Tong等研究者指出，该材料在高温电子器件和定向电路集成领域具有独特应用潜力。