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北京大学《Nature》:首次实现分米级二维单晶六方氮化硼的制备

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发表于 2019-5-23 15:50:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
文章来源:北京大学新闻网

2019年5月22日,北京大学物理学院刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士与合作者在《自然》杂志在线发表题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystalhexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究论文,在国际上首次报道利用中心反演对称性破缺的单晶铜衬底实现分米级二维单晶六方氮化硼的外延制备。该生长机制具有普适性,可推广到其它二维材料大面积单晶的制备。

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二维单晶六方氮化硼的外延制备及其生长机理研究

材料是推动现代高科技产业发展的基础。基于硅基材料的各种先进器件引领了现代信息科技革命,对世界的政治、经济格局产生了重要影响。近年来,随着芯片尺寸的不断减小,短沟道效应、热效应等日趋明显,开发全新的量子材料体系以实现变革性的器件应用已成为当前科技的研究热点。二维材料作为一种重要的量子材料,兼具极限尺寸的物理厚度、完美的表界面、优异的物理性质,且体系丰富,包含导体、半导体和绝缘体,是潜在变革性技术应用所需要的核心基础材料。规模化的高端器件应用必须基于大面积、高品质的单晶材料,因此二维单晶材料的制备研究具有重要的科学意义和技术价值。

利用单晶衬底外延制备大面积、高质量二维单晶材料一直是纳米科技领域的热点研究问题,但其具体实现却面临着巨大的挑战。2017年,研究团队首次报道了米级单晶Cu(111)衬底的制备方法并在此基础上实现了米级单晶石墨烯的外延生长。与石墨烯不同,六方氮化硼等其它绝大多数二维材料不具有中心反演对称性,其外延生长普遍存在孪晶晶界问题:即六方氮化硼晶畴在常规单晶衬底上存在两个夹角为180°的优势取向,在晶畴拼接时会形成晶界缺陷。

开发合适对称性的单晶衬底是解决这一科学难题的关键。刘开辉课题组与合作者探索出利用对称性破缺的衬底外延非中心反演对称二维单晶的方法。该方法通过课题组获得专利保护的退火工艺将工业多晶铜箔转化为仅有C1对称性的Cu(110)小角度倾斜晶面,该晶面上具有独特的Cu台阶。利用六方氮化硼晶畴中硼型和氮型锯齿形边界与Cu台阶耦合强度的差异打破正向与反向六方氮化硼晶畴的能量简并,从而实现取向单一的晶畴生长并无缝拼接为二维单晶薄膜。该方法可推广至其它二维材料的大面积单晶制备,为二维材料的规模化高端器件应用奠定材料基础。

王理、徐小志、张磊宁、乔瑞喜为论文共同第一作者,刘开辉、丁峰、王竹君、白雪冬为论文通讯作者。该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市科委相关项目,量子物质科学2011协同创新中心、人工微结构与介观物理国家重点实验室、北京大学电子显微镜实验室等的大力支持。

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