北大等高校研所最新Nature: 100平方厘米的二維氮化硼單晶

nanoCJ 4年前 (2019-05-23) 5639瀏覽

【引言】

二維材料的發展開拓了制造新型電子、光電以及光伏器件的可能性，與傳統硅基器件相比，這類材料能夠賦予器件更小的尺寸、更快的速度以及許多額外的功能。而為了實現二維器件的工業化應用，生長大尺寸、高質量的二維單晶就顯得十分必要。如原子層級的六方氮化硼（hBN）因具有優異的穩定性、平坦的表面以及相對較大的帶隙，而認為是理想的二維絕緣體。然而，生長二維hBN的單晶尺寸一直不能突破一毫米水平，嚴重限制了該類材料的工業化發展。

【成果簡介】

近期，北京大學劉開輝研究員聯合中科院物理所白雪冬研究員、韓國基礎科學研究所（Institute for Basic Science, Ulsan）丁峰以及蘇黎世聯邦理工學院Zhu-Jun Wang（共同通訊作者）等人報道了在銅箔表面成功外延生長尺寸高達100cm²的單晶hBN單層的文章。以往制備大尺寸單晶hBN的難點主要在于過度成核導致無法利用單核生長晶體以及hBN晶格的三重對稱性導致在大多數基底上容易形成反平行的孿晶界。特別是對于后者來說，通過選擇對稱性匹配的基底來提高外延生長單晶的質量，以低對稱hBN（C_3υ）為例，理想的基底需要具備C_3υ, C₃, σ_υ或者C₁對稱性。在這項工作中，研究人員首先對工業銅箔進行退火處理，得到了具有C₁對稱性的銅箔單晶。之后，以硼烷氨為原料，利用低壓化學氣相沉積（CVD）在銅箔基底上成功合成了大尺寸二維hBN。結構表征以及理論計算表明銅<211>臺階邊緣與hBN的Z形邊緣能夠進行耦合，打破了等價反平行hBN域，使得單向域高度對齊，從而實現了大尺寸的hBN外延生長。這一成果不僅促進拓展了二維器件的應用，還能夠為提高非中心對稱二維材料的外延生長質量提供新的可能性。2019年05月22日，相關成果以題為“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”的文章在線發表在Nature上。