高压下氮化铟纳米线的结构稳定性及拉曼散射研究

高压下氮化铟纳米线的结构稳定性及拉曼散射研究

氮化铟（InN）是一种重要的三族氮化物材料。它具有优良的输运性能及窄的能带，是制备新型高频太勒赫兹通信光电子器件的理想材料。尤其，低维尺度的InN，也是制备量子器件的潜在材料。近年来，随着生长技术的日益成熟，高质量的InN被成功制备，它的光学和电学性质得到广泛和深入的研究。由于这类功能半导体材料的晶体结构与物理性质具有密切的关联性，因此研究其原位高压下的晶体结构及特性具有重要的物理意义。

常压下，InN具有六角结构。对于块体InN材料，在12.1GPa左右存在一个从纤锌矿到岩盐矿型的结构相变。然而，对于低维尺度的InN材料，尺寸效应是否对高压结构相变产生影响呢？最近，中国科学院物理研究所禹日成研究员领导的小组与北京高压同步辐射站合作，采用高压原位角散x-射线衍射方法与金刚石对顶砧技术相结合，对InN纳米线（直径约为100nm）在高压下（≤31.8GPa）的结构相变及体积变化进行了系统的研究。此外，通过原位高压拉曼散射实验进一步分析了InN纳米线在布里渊区中心（Γ点）的声子特性随压力的变化，并计算了不同声子振动模式对应的格林爱森常数。相关的研究成果发表在2010年12月12日的《Journal of Materials Research》上。

图1 InN纳米线的高压原位x-射线衍射谱（左）及不同压力下的相对体积变化 （右）

该研究组及其合作者在高压原位角散实验中发现，InN纳米线在高压下依然存在从六方纤锌矿到立方岩盐矿型的结构相变，但相变压力点（14.6 GPa）略高于体材料（12.1GPa）（见图1左）。他们认为，这种InN纳米线相比于体材料具有较高的表面能，因而需要施加较大的压力去克服这个表面能致使其发生结构相变。另外，在结构相变的同时，存在一个显著的体积塌缩现象（见图1右）。对应相变压力点附近的相对体积变化率降辐可达17.88％。利用Birch-Murnaghan状态方程分别对六方相和立方相在不同压力下的体积压缩率进行拟合，得到六方相InN纳米线的体弹模量约为131.0 GPa, 而立方相的体弹模量高达205.1 GPa，均高于块体材料对应相的体弹模量（六方相：125 GPa; 立方相：170.0 GPa）。这一结果进一步表明InN纳米线比InN块体材料更加难于压缩。此外，他们利用原位高压拉曼散射实验，根据不同声子振动模式频率的变化，证实了InN纳米线在14.6 GPa附近的压致结构相变。同时，还观察到在相变点以上的压力范围（即高压相区）出现反常的拉曼散射信号（见图2左），分析认为这些散射峰可能与InN纳米线的声子态密度散射密切相关。因为相变可能在纳米尺度区域内同时发生，这样提高了结构的无序度，进而诱发声子态密度散射。当然，他们也进一步指出理论计算的必要性。他们还根据声子振动模式频率变化（如图2右）及不同相体弹模量，计算了对应声子振动模式的格林爱森常数。

图2  InN纳米线的高压原位拉曼散射谱（左）及不同声子模式频率随压力的变化（右）

该研究成果对深入分析纳米尺度InN材料的晶体结构与电子结构变化奠定了基础，同时也为进一步探讨其它类似低维三族氮化物提供了重要的实验参考。

发表文章：

L.D. Yao1, S.D. Luo1, X. Shen1, S.J. You1, L.X. Yang1, and S.J. Zhang1，S. Jiang2, Y.C. Li2, and J. Liu2, K. Zhu1, Y.L. Liu1, W.Y. Zhou1, L.C. Chen1, C.Q. Jin1, R.C. Yu1* and S.S. Xie2, Structural stability and Raman scattering of InN nanowires under high pressure

1Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, People’s Republic of China

2Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, People’s Republic of China

*To whom correspondence should be addressed. E-Mail: rcyu@iphy.aphy.ac.cn