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南洋理工田博/KAUST张西祥《自然·通讯》：六方氮化硼 (hBN)

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-02 07:39

正文

六方氮化硼（hBN）作为少数二维绝缘材料之一，对促进未来硅基电子器件和集成电路的发展具有战略意义。实现高质量、单层的hBN单晶的规模生产对于其在半导体工业中的应用至关重要。然而，化学气相沉积（CVD）合成hBN的物理机制尚未充分探索。其形态工程的研究对于研发大规模生产高质量hBN薄膜的合成技术至关重要。

近日，新加坡南洋理工大学田博研究员和沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授团队报导了一种新型具有六边形形貌的单晶hBN。研究团队探索了hBN的CVD生长过程中的物理机制，发现少量氧气的参与可以有效调控单晶hBN岛的形状。通过调节CVD系统中的微弱的氧含量，成功合成了排列一致的六边形hBN岛，并通过这些定向的六边形岛在单晶金属箔衬底上的生长，形成了连续、高质量的单晶单层hBN薄膜。DFT理论计算研究了在微弱氧辅助环境中生长的hBN单层边缘的能量态，提供了hBN六边形岛形态形成机制的见解。此研究开辟了控制二维材料岛形貌的新途径，为工业规模生产高质量、大面积的单晶hBN奠定了基础。相关研究工作以“Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands”为题发表在国际期刊《Nature Communications》上，李俊竺博士为论文第一作者，田博研究员和张西祥教授为论文通讯作者。

图1 | 六方氮化硼（hBN）岛的三角形和六边形形态在Cu(111)衬底上的形成

图2 | 在Cu(111)衬底上氧辅助CVD生长六边形hBN单晶。

图3 | 原子结构示意图和密度泛函理论（DFT）计算。

图4 | 高质量六边形hBN岛融合形成的单层单晶hBN在Cu(111)上。

图5 | 单晶单层hBN薄膜的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）表征。

结论与展望

本研究首次展示了氧辅助CVD技术在制备定向六边形hBN岛屿及合成高质量单晶hBN薄膜方面的巨大潜力。通过这种创新方法，研究团队提出了新型hBN六边形形岛屿的可行性，还成功实现了无孔洞结构和极低的缺陷密度的大面积单晶hBN薄膜。未来，这项技术将为新一代二维材料性电子器件的发展铺平道路，同时推动二维材料在超导、神经形态计算和高性能电子器件中的广泛应用。

参考文献：
Li, Junzhu, et al. "Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands." Nature Communications 15.1 (2024): 8589.

来源：高分子科学前沿

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