文 献 综 述
- 引言
自从 Geim 和 Novoselov 等人[1]将石墨烯从石墨中分离出来并确定其稳定性后，由于其特殊的电子、机械和热性能，例如：超高的载流子迁移率，杨氏模量大以及高热导率等优异的性能，引起了物理、化学以及材料领域研究者的广泛关注。并被运用在纳米电子器件、太阳电池、光催化等方面。然而，石墨烯是一种零带隙半金属，限制它在半导体光电设备中的应用。人们又将目光投到其他具有半导体性质的二维材料的研究中，近千种二维材料被设计和合成。理论和实验研究均表明，相比于传统的体材料，二维半导体材料由于量子受限更为显著，因而具有更为优异的电、热和力学性能，给半导体纳米材料科学带来新的突破。其中，III-Ⅴ半导体，尤其是氮化物，如六角结构的氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）等，由于其在光电子、高温和高功率设备上的许多应用，引起了人们极大的兴趣。
2016年，Balushi等人采用石墨烯封装的方法，实现了单层 GaN 在实验中的首次合成，这为单层 GaN 的研究和应用奠定了强有力的基础。与GaN薄膜材料相比，由于量子限域效应，二维GaN具有超过薄膜材料的超宽带隙，能够使电子元件在更高的电压与更强的辐射下正常工作。同时由于独特的限制结构，二维GaN具有新的机械、电子和光学性质。这些使得二维GaN引起了研究人员的极大兴趣，并有望在未来的纳米器件中发挥重要的作用。而p型掺杂是GaN基光电器件制备的一个重要过程，p型掺杂元素可以为GaN材料提供空穴载流子，增加p型导电性，并使得器件电子与空穴的浓度和分布具有一致性，从而改善GaN基器件的光电发射性能和效率。目前GaN薄膜和GaN纳米线的p型掺杂研究都已经被报道。而二维GaN的p型掺杂仍未见研究，所以通过第一性原理来讨论p型掺杂二维GaN的结构和光电性质是很有必要的。
- GaN材料的特性
GaN材料是继Ge、Si第一代半导体材料和GaAs、InP第二代半导体之后，与SiC、 金刚石等半导体材料一起被称为第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、高的击穿电压、良好的化学稳定性、高的热导率和强的抗辐照能力[2]，在光电子器件领域有着广阔的应用前景。
2.1 GaN材料结构
GaN是一种极性晶体，其化学键主要是共价键，但是由于构成共价键的两种组分有很大的电负性差异，导致在该化合物中的键有相当大的离子键成分，这是GaN具有许多独特物理化学性质的根源，GaN主要有三种晶体结构：在自然界中的热力学稳定相是六方晶系纤锌矿结构，在高压下发生相变转变为立方熔盐矿结构，同时也存在能量略高于六方纤锌矿结构的亚稳态相即立方闪锌矿结构[3,4]。通常情况下，GaN晶体仅以纤锌矿结构和闪锌矿结构存在，熔盐矿结构则只出现在非常高压的情况下。
纤锌矿结构GaN由在c轴(0001)方向上平移5c/8的两个六方密堆积结构套构而成，如图1 a)所示。闪锌矿结构则是由在对角线方向上平移1/4对角线长度的两个面心立方结构套构而成，如图1b)所示。图1c)为熔盐矿结构GaN。
a)钎锌矿结构 b)闪锌矿结构 c)熔盐矿结构
图1 三种晶体结构GaN
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