北京大学：单晶单层六方氮化硼的制备取得重要进展

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，开发全新的二维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。规模化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。作为唯一无悬键的二维半导体，六方氮化硼的大面积单晶制备一直是该领域难以突破的瓶颈。主要问题是外延生长过程中产生的孪晶晶界：即晶畴在常规单晶衬底上存在两个夹角为180°的优势取向时，而反向晶畴在拼接时会形成缺陷晶界。该问题在绝大多数二维材料单晶制备中普遍存在，因此六方氮化硼单晶材料的制备研究具有非常重要的科学意义和技术价值。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

近日，北京大学王恩哥院士、俞大鹏院士、刘开辉研究员与合作者在中心反演对称性破缺的单晶铜衬底上实现了分米级二维单晶六方氮化硼的外延制备，同时对生长机制给出详细的实验及理论分析。相关成果以“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”为标题发表在《自然》杂志上。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

研究团队经过反复攻关，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薄膜的新方法。该方法通过专利保护的退火工艺将工业多晶铜箔转化为仅有C1对称性的铜(110)小角度倾斜晶面，利用该晶面上独特的Cu<211>台阶和六方氮化硼晶畴的硼型、氮型锯齿形边界耦合强度差打破六方氮化硼生长过程中晶畴取向的简并度，从而实现取向一致的晶畴生长，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，有望推动新型二维材料器件规模化应用的技术发展。