材料學(xué)院劉磊課題組在六方氮化硼材料的制備及其同位素效應(yīng)研究中取得系列進展

六方氮化硼（h-BN）材料具有超高熱導(dǎo)和電絕緣性、獨特的光電性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，在超高導(dǎo)熱、紫外光源及探測等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。近年來，h-BN中的同位素效應(yīng)吸引了越來越多研究者的興趣。天然的h-BN中，硼元素由2種穩(wěn)定的同位素（10B和11B）構(gòu)成，天然占比分別為19.9 %和80.1 %；氮元素由2種穩(wěn)定的同位素（14N和15N）構(gòu)成，天然占比分別為99.6 %和0.4 %。同位素特別是B同位素紊亂將影響h-BN的眾多物理性質(zhì)，比如造成額外的聲子散射而影響熱導(dǎo)率。通過同位素工程，可以得到純化后的h-10BN和h-11BN，其室溫?zé)釋?dǎo)率提高約40%，聲子極化子壽命也提高一個數(shù)量級。此外，10B同位素具有非常大的熱中子捕獲截面，基于10B富集（99.9％）h-BN的中子探測器是迄今為止固態(tài)探測器中探測效率最高（51.4％）的，有望替代3He管中子探測器。從基礎(chǔ)研究的角度出發(fā)，h-BN是廣泛采用的二維材料器件襯底材料；B同位素純化可以調(diào)整h-BN的電子密度分布及層間范德華(vdW)相互作用。h-BN中的同位素工程，有望成為調(diào)控二維材料異質(zhì)結(jié)性質(zhì)的一個新的自由度。

基于以上研究背景，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉磊研究員課題組結(jié)合高溫化學(xué)氣相沉積和單質(zhì)金屬助熔劑法，制備出高質(zhì)量、大尺寸h-BN單晶（最大晶疇尺寸~ 0.5 mm）以及厘米級連續(xù)薄膜，進一步實現(xiàn)了h-BN材料中硼同位素的精準(zhǔn)調(diào)控，揭示了同位素純化后的超高熱導(dǎo)（830 W m-1 K-1）。這一生長技術(shù)的突破，對基于h-BN的高熱導(dǎo)應(yīng)用、固態(tài)中子探測、二維材料物理及器件研究等方面具有重要意義。