中外研发平方厘米二维氮化硼单晶助力权衡

中外研发100平方厘米二维氮化硼单晶 助力实现二维器件工业化

5月23日，了解到，北京大学刘开辉研究员联合中科院物理所白雪冬研究员、韩国基础科学研究所（Institute for Basic Science, Ulsan）丁峰以及苏黎世联邦理工学院Zhu-Jun Wang（共同通讯作者）等人报道了在铜箔表面成功外延生长尺寸高达100cm2的单晶hBN单层的文章。以往制备大尺寸单晶hBN的难点主要在于过度成核导致无法利用单核生长晶体以及hBN晶格的三重对称性导致在大多数基底上容易形成反平行的孪晶界。特别是对于后者来说，通过选择对称性匹配的基底来提高外延生长单晶的质量，以低对称hBN（C3υ）为例，理想的基底需要具备C3υ, C3, συ或者C1对称性。

在这项工作中，研究人员首先对工业铜箔进行退火处理，得到了具有C1对称性的铜箔单晶。之后，以硼烷氨为原料，利用低压化学气相沉积（CVD）在铜箔基底上成功合成了大尺寸二维hBN。结构表征以及理论计算表明铜台阶边缘与hBN的Z形边缘能够进行耦合，打破了等价反平行hBN域，使得单向域高度对齐，从而实现了大尺寸的hBN外延生长。这一成果不仅促进拓展了二维器件的应用，还能够为提高非中心对称二维材料的外延生长质量提供新的可能性。2019年05月22日，相关成果以题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”的文章发表在Nature上。

二维材料的发展开拓了制造新型电子、光电以及光伏器件的可能性，与传统硅基器件相比，这类材料能够赋予器件更小的尺寸、更快的速度以及许多额外的功能。而为了实现二维器件的工业化应用，生长大尺寸、高质量的二维单晶就显得十分必要。如原子层级的六方氮化硼（hBN）因具有优异的稳定性、平坦的表面以及相对较大的带隙，而认为是理想的二维绝缘体。然而，生长二维hBN的单晶尺寸一直不能突破一毫米水平，严重限制了该类材料的工业化发展。

直指天际！ 新型二维材料自2004年石墨烯被发现以来，探寻其他新型二维晶体材料一直是二维材料研究领域的前沿。正如石墨烯一样，大尺寸高质量的其他二维晶体不仅对于探索二维极限下新的物理现象和性能非常重要，而且在电子、光电子等领域具有诸多新奇的应用。

几年前，科学家通过使用氢氟酸或者氟化锂与盐酸的混合溶液刻蚀去除层状三元陶瓷MAX相中的金属层(如铝等)，制备出了功能化的过渡族金属碳化物纳米片。研究表明，这种材料具有优异的热电转换和电化学能量存储等性能。然而，与氧化石墨烯类似，这种方法制得的功能化的二维过渡族金属碳化物纳米片的片层尺寸小，在数纳米到数微米之间，并且存在大量的缺陷和官能团，限制了对二维过渡族金属碳化物基本物性的研究和应用探索。

图1 单晶铜(110)的表征

图2 hBN域在铜(110)上的单向对齐以及无缝拼接

图3 hBN域单向生长的原位观测

图4 hBN域的边缘耦合导向外延生长机制