Self-activated epitaxial growth of ScN films from molecular nitrogen at low temperatures

材料科学 氮气 外延 结晶学 纳米技术 有机化学 化学 图层(电子)
作者
Chandrashekhar Savant,Anita Verma,Thai‐Son Nguyen,Len van Deurzen,Yu‐Hsin Chen,Zhiren He,Salva Salmani‐Rezaie,Jakob Gollwitzer,Benjamin Gregory,Suchismita Sarker,Jacob Ruff,Guru Khalsa,Andrej Singer,David A. Muller,Huili Grace Xing,Debdeep Jena,Joseph Casamento
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:12 (11)
标识
DOI:10.1063/5.0222995
摘要

Unlike naturally occurring oxide crystals such as ruby and gemstones, there are no naturally occurring nitride crystals because the triple bond of the nitrogen molecule is one of the strongest bonds in nature. Here, we report that when the transition metal scandium is subjected to molecular nitrogen, it self-catalyzes to break the nitrogen triple bond to form highly crystalline layers of ScN, a semiconductor. This reaction proceeds even at room temperature. Self-activated ScN films have a twin cubic crystal structure, atomic layering, and electronic and optical properties comparable to plasma-based methods. We extend our research to showcase Sc’s scavenging effect and demonstrate self-activated ScN growth under various growth conditions and on technologically significant substrates, such as 6H–SiC, AlN, and GaN. Ab initio calculations elucidate an energetically efficient pathway for the self-activated growth of crystalline ScN films from molecular N2. The findings open a new pathway to ultralow-energy synthesis of crystalline nitride semiconductor layers and beyond.
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