北大研究人员实现分米级单晶单层六方氮化硼的制备

北大研究人员实现分米级单晶单层六方氮化硼的制备
2019年05月23日 12:05 新浪科技综合

  来源:知社学术圈

  英国伦敦时间5月22日,《自然》杂志发布的一篇论文称,来自北京大学的科学家与合作者利用中心反演对称性破缺衬底首次成功实现分米级二维六方氮化硼单晶的外延制备。这是继米级石墨烯单晶成功制备之后,二维材料单晶生长领域又一重大进展。

  二维材料的兴起为电子,光电子和光伏领域的潜在应用开辟了巨大的可能性,因为它们具有更小尺寸,更高速度和更新的功能。而大面积、高质量的基础二维单晶材料(二维导体石墨烯,二维半导体过渡金属硫族化合物、黑磷等以及二维绝缘体六方氮化硼)制备,是二维器件规模化应用的核心。其中,六方氮化硼(hBN)具有优异的稳定性,表面平整无悬键,是已知最好的二维绝缘体。然而,单晶二维六方氮化硼的尺寸一直是纳米材料领域一个巨大的挑战,主要因为三重对称的六方氮化硼晶格在常规金属衬底表面外延生长会出现反向晶畴,从而导致大量缺陷晶界产生。北京大学刘开辉课题组与合作者经过多年研究发现,在通过特殊的退火工艺可以使工业铜箔转化为与(110)晶面存在一定倾角的“邻晶面”,并在该晶面上实现10 × 10 cm2单晶六方氮化硼单层薄膜的外延生长。各种表征手段与理论计算的结果表明外延生长的关键是Cu<211>台阶与六方氮化硼晶格氮截止锯齿边的耦合作用。该耦合作用可以打破反向晶畴取向优势,从而使所有晶畴取向以这个并且无缝拼接为整片单晶。

  此前,对于绝大多数由两种元素构成的二维材料,一直难以实现规模化的单晶制备。本论文的研究成功将对其它二维材料的制备提供借鉴意义。

  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。该论文其他合作者包括:王恩哥、俞大鹏、江颖、张翼、吴施伟、高鹏、王文龙、李群仰、伍辉、Marc Willinger等。

Fig.1大面积单晶Cu(110)衬底的制备与表征。Fig.1大面积单晶Cu(110)衬底的制备与表征。
Fig.2单晶六方氮化硼的外延生长与表征Fig.2单晶六方氮化硼的外延生长与表征
Fig.3 台阶调控六方氮化硼晶畴沿相同取向生长Fig.3 台阶调控六方氮化硼晶畴沿相同取向生长
Fig.4 台阶方向表征与生长动力学研究Fig.4 台阶方向表征与生长动力学研究
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