氮化鎵(GaN)是僅次于硅的第二大常用半導體材料。其物理特性和應用基于其無中心對稱的瓦爾茨石晶格所產生的極化。近期的直接實驗發現顯示出一些方向與常規預期相悖，并且顯著的剩余極化程度也引起了關注。

　　這種顯著的不一致突顯了對現有方法進行嚴格審查和增強的必要性，以將這些新發現納入現有知識框架中，從而降低在這一快速發展的領域中產生誤解和錯誤解釋的風險。

　　近年來，針對III族氮化物(GaN、AlN、InN及相關合金)的研究在電子學、光電學、壓電電子學、量子光子學及清潔能源等多個領域非常活躍。III族氮化物以其無對稱中心的穩定瓦爾茨石相為特征。

　　在其結構內部，由于其他三條鍵的部分與沿c軸的部分不相等，形成了一個電偶極子。這個偶極子在定義瓦爾茨石氮化物的光學和電學特性方面至關重要，導致了沿c方向的顯著自發和壓電極化。

　　現代極化理論(MTP)

　　現代極化理論(MTP)為氮化物異質結構中的極化現象提供了定量解釋和建模。以鋅閃石(ZB)結構為參照，Bernardini等人首次計算了III族氮化物中的極化常數。MTP的成果在全球范圍內引起了廣泛關注，并在教科書中受到高度重視，成為成功將理論概念與實驗結果結合的典范。

　　然而，最近各個研究小組對瓦爾茨石氮化物半導體的極化進行了實驗測量。將稀土元素(鐵電材料)引入瓦爾茨石結構中顯著降低了極性切換的能量障礙，從而首次實現了瓦爾茨石半導體中自發極化的實驗確定。

　　令人驚訝的是，測得的自發極化方向與MTP預測相反，其量級更大，達到了一個數量級。此外，掃描透射電子顯微鏡(STEM)、壓電響應力顯微鏡(PFM)、濕法刻蝕以及密度泛函理論(DFT)計算進一步驗證了這些結果。

　　這些根本性的差異顯著挑戰了理論框架和器件開發，深刻擾亂了我們對這些材料中極化的基礎理解。因此，有必要重新評估瓦爾茨石半導體中極化現象的理論框架。

　　基于分層六角參考的極化直接測量

　　這項研究旨在批判性地分析瓦爾茨石半導體中的極化現象，以澄清現有理論和實驗中可能存在的誤解。另一種方法是使用分層六角結構作為參考。

　　在每個晶胞中，四個原子形成一個六角Bravais晶格，定義了瓦爾茨石結構。歷史上，四面體一直是一個常見的參考點，以清晰理解瓦爾茨石結構中的極化。完美四面體中的極化矢量相互抵消。

　　在III族氮化物的瓦爾茨石結構中，核心原子并不完全位于四面體中心。這會產生沿c軸的電極化，并且這個值不為零，有時被稱為自發極化。在同一平面內，極化矢量在均勻應變下發生變化，產生沿c方向的極化——也被稱為壓電極化。

　　如圖1右側所示，直接測量實驗的結果與傳統理論的預期不符。研究者所建議的通常參考結構是分層六角結構。

　　這一新模型具有獨特優勢，因為基于分層六角結構的計算與實驗結果更加吻合。這表明，使用分層六角參考將有助于更準確和全面地理解瓦爾茨石氮化物中的極化。

　　這些進展 necessitate 對瓦爾茨石半導體中的極化進行全面審查，并強調使用分層六角結構作為標準參考的適用性。

　　影響與未來方向

　　對極化的新視角要求我們重新審視氮化物器件中的重要事件，包括二維載流子氣體(2DCGs)的行為以及內部電場的影響。對放松異質結構中極化影響的探索以及非電特性表征方法的可能性依賴于進一步的研究。

　　這一新框架還強調了壓電效應在生成二維電子氣體(2DEGs)中的重要作用，這可能比迄今為止認為的自發極化的作用更為重要。此外，氮化物系統中2DEGs的穩定性和韌性也在進一步研究中。

　　結論

　　瓦爾茨石氮化物中極化測量的最新進展要求我們在對這一現象的理解上進行根本性轉變。這一轉變不僅會強化理論框架，還將改善氮化物基器件的設計原則和功能，為該領域未來的創新鋪平道路。

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