第一个纤锌矿结构的MgSiN₂ 薄膜释放出有前景的电子特性

纤锌矿结构晶体以其六方对称性为特征，因其独特的电子和压电性能而受到广泛重视，即在受到机械应力时产生电荷的能力。其中，蓝色发光二极管的关键材料氮化镓（GaN）和智能手机高频射频（RF）滤波器中使用的氮化铝（AlN）就是突出的例子。这些材料在先进的半导体、传感器和执行器中起着至关重要的作用。

日本东京科学研究所的科学家在扩大纤锌矿结构以包括多价三元氮化物方面取得了重大突破，特别是在潜在的压电和铁电应用方面。他们的论文于2025年2月6日发表在《先进电子材料》杂志上，描述了在具有压电性能的纤锌矿结构中制造出有史以来第一个氮化镁硅（MgSiN2）多价氮化物。

这项开创性的研究由东京科学院MDX元素战略研究中心的Hiroshi Funakubo教授领导，与东京科学院材料科学与工程学院的二年级硕士生Sotaro Kageyama先生、助理教授Kazuki Okamoto和横田弘子教授合作。研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的Venkatraman Gopalan教授、东北大学的Yoshiomi Hiranaga副教授、上智大学的Hiroshi Uchida教授等。

纤锌矿结构，如AlN和GaN，通常由三价阳离子组成。然而，由于高矫顽电场，这些材料面临着挑战，矫顽电场是压电电荷产生和铁电性能转换极化所需的能量。

引入价态为II/IV的多价阳离子会由于阳离子半径的差异而改变结构刚性。这种改变已被证明有助于极化并降低矫顽场。为了探索这种效应，研究人员选择了由Mg²组成的多价三元氮化物MgSiN2⁺ 和Si⁴⁺.

镁锡₂ 通常以正交晶系β-NaFeO结晶₂ 结构。然而，研究小组在富氮气氛中在600°C下使用Mg和Si离子的反应性RF磁控溅射成功地将其稳定在纤锌矿相中。这种结构转变引入了随机的阳离子排序。

“合成MgSiN的能力₂ Funakubo解释说：“在一种新的纤锌矿相中，这是压电材料领域的一项重大进展。我们的发现可能为开发具有定制电子性能的高性能材料开辟新的途径。”。“

结果证实了纤锌矿MgSiN的压电性质₂ 使用先进的表征技术，包括X射线衍射、透射电子显微镜和压电响应力显微镜。

所制备的材料表现出逆压电系数（d₃₃,f=2.3 pm/V），与传统的简单氮化物相当，表明其能够有效地将机械应力转化为电荷。这一突破在超声波换能器、纳米机电系统和能量采集器中创造了潜在的应用。

压电MgSiN₂ 其具有与传统压电纤锌矿AlN相当的约5.9eV（直接）和5.1eV（间接）的宽带隙。这表明，该材料通过限制价带（电子与原子结合的地方）和导带（电子可以自由移动和导电的地方）之间的电子运动来提供优异的绝缘性。

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较宽的带隙表明在正常条件下具有很强的导电性，这证实了材料的耐用性和稳定性。这些特性使MgSiN₂ 下一代电子产品的有前景的候选者。Funakubo总结道：“我们的研究为进一步探索具有压电性能的多价三元氮化物奠定了基础。微调沉积参数可以进一步改善极化开关，并进一步验证材料的铁电性能。”。

随着研究人员继续研究压电应用的新材料相，纤锌矿结构的MgSiN₂ 成为下一代压电和铁电技术的有前景的候选者，为电子材料的进步铺平了道路。p