中外研發(fā)100平方厘米二維氮化硼單晶

      5月23日，記者了解到，北京大學(xué)劉開輝研究員聯(lián)合中科院物理所白雪冬研究員、韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（Institute for Basic Science, Ulsan）丁峰以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Zhu-Jun Wang（共同通訊作者）等人報(bào)道了在銅箔表面成功外延生長尺寸高達(dá)100cm2的單晶hBN單層的文章。以往制備大尺寸單晶hBN的難點(diǎn)主要在于過度成核導(dǎo)致無法利用單核生長晶體以及hBN晶格的三重對稱性導(dǎo)致在大多數(shù)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(zhì)量，以低對稱hBN（C3υ）為例，理想的基底需要具備C3υ, C3, συ或者C1對稱性。

      在這項(xiàng)工作中，研究人員首先對工業(yè)銅箔進(jìn)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(xué)氣相沉積（CVD）在銅箔基底上成功合成了大尺寸二維hBN。結(jié)構(gòu)表征以及理論計(jì)算表明銅臺(tái)階邊緣與hBN的Z形邊緣能夠進(jìn)行耦合，打破了等價(jià)反平行hBN域，使得單向域高度對齊，從而實(shí)現(xiàn)了大尺寸的hBN外延生長。這一成果不僅促進(jìn)拓展了二維器件的應(yīng)用，還能夠?yàn)樘岣叻侵行膶ΨQ二維材料的外延生長質(zhì)量提供新的可能性。2019年05月22日，相關(guān)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(fā)表在Nature上。

      二維材料的發(fā)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)二維器件的工業(yè)化應(yīng)用，生長大尺寸、高質(zhì)量的二維單晶就顯得十分必要。如原子層級(jí)的六方氮化硼（hBN）因具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、平坦的表面以及相對較大的帶隙，而認(rèn)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(yán)重限制了該類材料的工業(yè)化發(fā)展。

      新型二維材料自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，探尋其他新型二維晶體材料一直是二維材料研究領(lǐng)域的前沿。正如石墨烯一樣，大尺寸高質(zhì)量的其他二維晶體不僅對于探索二維極限下新的物理現(xiàn)象和性能非常重要，而且在電子、光電子等領(lǐng)域具有諸多新奇的應(yīng)用。

      幾年前，科學(xué)家通過使用氫氟酸或者氟化鋰與鹽酸的混合溶液刻蝕去除層狀三元陶瓷MAX相中的金屬層(如鋁等)，制備出了功能化的過渡族金屬碳化物納米片。研究表明，這種材料具有優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換和電化學(xué)能量存儲(chǔ)等性能。然而，與氧化石墨烯類似，這種方法制得的功能化的二維過渡族金屬碳化物納米片的片層尺寸小，在數(shù)納米到數(shù)微米之間，并且存在大量的缺陷和官能團(tuán)，限制了對二維過渡族金屬碳化物基本物性的研究和應(yīng)用探索。