A 2014-es Nobel díjjal kerültek be a köztudatba a fénykibocsátásra alkalmas direkt sávszerkezetű, széles tiltottsávú félvezetők. A kutatók és fejlesztők akkorra már közel két évtizede foglalkoztak olyan, direkt sávszerkezetű, széles tiltottsávú félvezetőkkel, mint amilyen a GaN, az AlN vagy az InN.

Az indium-nitrid mindig is kilógott ezek közül egy kicsit a maga szerény, 0,7 eV-os sávszélességével, de mivel a fenti három anyag könnyen ötvözhető egymással, mégis nagy szerepet játszott a fénykibocsátó diódák (LED) és lézerek előállításában, InxGa1-xN formájában. Az indiumtartalom változtatásával hangolhatóvá vált a ternér-réteg tiltott sávja és a kibocsátott fény hullámhossza. Ezzel egyidejűleg a kétdimenziós anyagok felfedezése és több elméleti munka is azt ígérte, hogy a nitridek is újszerű tulajdonságokat vesznek majd fel, ha sikerül két dimenzióban előállítani őket. A kutatók azt várták, hogy kétatomi rétegvastagság esetén az InN tiltott sávja kiszélesedik, így alkalmassá válik látható fény kibocsátására.

A GRIPHONE fantázianevű FLAG_ERA projekt keretében svéd–olasz–magyar együttműködésben a világon elsőként sikerült a SiC-hordozó, és az azon levő epitaxiális (hidrogénezett) grafén közötti térben egy mindössze 2 rétegből álló indium-nitridet létrehozni. A projekt koordinátora Anelia Kakanakova (Linköping University, Svédország) volt, partnerei pedig Filippo Gianazzo (CNR Catania, Olaszország) és Pécz Béla (ELKH EK MFA). A projekt egy olyan általános platform létrehozását célozta meg, amelyen MOCVD-eljárással (Metalorganic Vapour Deposition) 2D-félvezetőket lehet növeszteni. Ilyen például a 2D-AlN (erről már megjelent egy cikkük a Nanoscale folyóiratban), illetve a jelen tudósítás alapjául szolgáló indium-nitrid. Az erre irányuló kutatásokat Pécz Béla, az ELKH EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet munkatársa vezette.

Ha a SiC-on előállított, egy rétegű grafént hidrogénben hőkezelik, akkor az alatta levő buffer-rétegből egy tökéletes grafén-réteg képződik. Egy olyan kétrétegű grafén áll tehát elő, amely a hordozóhoz igen gyengén kötött, és alkalmas arra, hogy a grafénen keresztül interkalációval például fématomokat juttassunk be közéjük.

Ez az alapja annak a folyamatnak, amelyben MOCVD-eljárással juttatnak be indiumatomokat, ammóniából pedig a szükséges nitrogént. Az eredmények azt bizonyítják, hogy az így nyert réteget sikerült stabilizálni a kutatóknak.

A kutatók vezető AFM-mel (atomerő-mikroszkóppal) térképezték fel a minta teljes felületét, és azt találták, hogy a grafén alatt a felület több mint 90%-át borítja be az előállított 2D-InN-réteg. Természetesen közölték azt is, hogy a létrejött InN egy kis része háromdimenziós módon nőtt, mintegy 5–7 réteg vastagságban, még mindig a grafén alatt.

Az alábbi ábra a) részén látható a 2D-InN réteg az MFA gömbihiba-korrigált mikroszkópjában (HAADF, nagyszögű dark field detektor, STEM-üzemmód). A felvételen az intenzitás a rendszám négyzetével arányos, így jól láthatóan kirajzolja a kétsornyi indiumatomot. A b) ábra pedig az egyik 3D-ben nőtt indium-nitridet is mutatja, mely egyébként köbös rétegszekvenciát mutat. A c) ábra jobb oldalán egy ún. ABF-felvételt (annular bright field) láthatunk, amellyel láthatóvá tehetők a könnyű elemek a mikroszkópos felvételeken – az ábra jobb oldalán világosan kivehető a nitrogén az indium mellett (csakúgy, mint a szén a szilícium mellett a SiC-ban).

A legegyértelműbb bizonyítékot arra, hogy a 2D-réteg tiszta indium-nitrid, a CNR-IMM Beyond Nano laboratóriumában egy „probe corrected” mikroszkópon rendelkezésre álló EELS-mérés (Electron Energy Loss Spectroscopy) szolgáltatta, melyet Giuseppe Nicotra végzett el. A spektrumból egyértelműen kiolvasható a nitrogén K-edge finomszerkezete, ugyanakkor az is, hogy nincs benne oxigén.

A réteg jelentőségét Koós Antal (ELKH EK MFA) azon mérései igazolták, amelyekben pásztázóalagút-spektroszkópia (STS) segítségével helyről-helyre megvizsgálta a szerkezet I-V (áram-feszültség) karakterisztikáját. Ebből világosan kiolvasható volt, hogy a mindössze kétrétegű 2D-indium-nitrid tiltott sávszélessége 2±0,1 eV, a tömbi 0,7 eV helyett. Ezzel a 2D-InN elfoglalta helyét az igazi széles tiltottsávú félvezetők közt.

A teljes közlemény itt érhető el: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202006660