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Nature丨轻元素材料团队实现分米级单晶六方氮化硼的外延制备
发布时间:2019-05-24 浏览:1164 次

2019年5月22日,松山湖材料实验室轻元素材料团队刘开辉研究员、松山湖材料实验室理事长王恩哥院士与北京大学、中国科学院物理研究所等单位合作在Nature上发表了题为Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper的研究论文,首次报道了在具有非中心反演对称性的单晶铜衬底上外延合成分米级二维绝缘体氮化硼单晶薄膜的新技术。

纵观历史,材料技术的发展是推动社会前进发展重要因素。基于硅材料的半导体器件引领人类走进了的信息时代。而量子器件的横空问世,点亮了下一次技术革命的曙光。其中,二维材料是量子材料家族中的明星。由二维材料构成的二维器件具有极限的尺寸、优异的性质以及全新的功能,因而受到了广泛的研究关注。大尺寸、高质量的单晶材料是器件走向规模化应用的根本。近年来,轻元素材料团队在大尺寸二维材料单晶生长领域开展了一系列的研究,并取得了丰富的成果[1][2]

二维材料中,六方氮化硼是难得的完美二维绝缘体,表面平直平整无悬键,无论在基础研究还是工业应用方面都具有重要的价值。但由于六方氮化硼的晶格不具有中心反演对称性,在外延生长的过程中会出现反向晶畴,进而导致大量孪晶晶界的产生,严重影响单晶的尺寸与质量。因此,衬底表面对称性的调控对大尺寸、高质量六方氮化硼单晶的外延生长尤为重要。轻元素材料团队通过独特的退火工艺,将较低成本的工业多晶铜箔转化为仅具有一重对称性的Cu(110)邻晶面单晶铜箔。再利用该晶面独有的Cu台阶与六方氮化硼晶格中氮截止锯齿编的强耦合作用实现多晶畴单一取向生长,最终无缝拼接为整片分米级单晶,实现了大面积二维绝缘体单晶制备的突破。该方法可广泛适用于绝大多数二维材料的单晶生长,将极大的推动二维材料器件基础科学研究以及潜在应用开发。


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1. 单晶铜衬底的制备与表征

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图2. 单晶六方氮化硼的外延生长与表征


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图3. 台阶调控单晶六方氮化硼生长过程的原位观测

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图4. 台阶调控单晶六方氮化硼生长的动力学研究


【1】Xiaozhi Xu, Dapeng Yu,Enge Wang, Kaihui Liu et al., Nature Nanotechnology, 2016, 11, 930

2Xiaozhi Xu, Dapeng Yu, Enge Wang, Kaihui Liu et al., Science Bulletin, 2017, 62, 1074

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