北大等高校研所最新Nature: 100平方厘米的二维氮化硼单晶

nanoCJ 5年前 (2019-05-23) 6000浏览

【引言】

二维材料的发展开拓了制造新型电子、光电以及光伏器件的可能性，与传统硅基器件相比，这类材料能够赋予器件更小的尺寸、更快的速度以及许多额外的功能。而为了实现二维器件的工业化应用，生长大尺寸、高质量的二维单晶就显得十分必要。如原子层级的六方氮化硼（hBN）因具有优异的稳定性、平坦的表面以及相对较大的带隙，而认为是理想的二维绝缘体。然而，生长二维hBN的单晶尺寸一直不能突破一毫米水平，严重限制了该类材料的工业化发展。

【成果简介】

近期，北京大学刘开辉研究员联合中科院物理所白雪冬研究员、韩国基础科学研究所（Institute for Basic Science, Ulsan）丁峰以及苏黎世联邦理工学院Zhu-Jun Wang（共同通讯作者）等人报道了在铜箔表面成功外延生长尺寸高达100cm²的单晶hBN单层的文章。以往制备大尺寸单晶hBN的难点主要在于过度成核导致无法利用单核生长晶体以及hBN晶格的三重对称性导致在大多数基底上容易形成反平行的孪晶界。特别是对于后者来说，通过选择对称性匹配的基底来提高外延生长单晶的质量，以低对称hBN（C_3υ）为例，理想的基底需要具备C_3υ, C₃, σ_υ或者C₁对称性。在这项工作中，研究人员首先对工业铜箔进行退火处理，得到了具有C₁对称性的铜箔单晶。之后，以硼烷氨为原料，利用低压化学气相沉积（CVD）在铜箔基底上成功合成了大尺寸二维hBN。结构表征以及理论计算表明铜<211>台阶边缘与hBN的Z形边缘能够进行耦合，打破了等价反平行hBN域，使得单向域高度对齐，从而实现了大尺寸的hBN外延生长。这一成果不仅促进拓展了二维器件的应用，还能够为提高非中心对称二维材料的外延生长质量提供新的可能性。2019年05月22日，相关成果以题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”的文章在线发表在Nature上。