大面积高质量单晶氮化硼薄膜的新突破!

【研究背景】

氮化硼（hBN）是一种具有绝缘特性的二维层状材料，因其独特的物理和化学性质而成为研究热点。这些性质使得hBN在各种前沿应用中展现出潜力，例如与其他二维材料结合形成的范德华异质结构，可用于魔角系统、超导性研究以及神经形态纳米器件等。然而，目前大多数hBN的应用依赖于机械剥离得到的薄片，这限制了其大规模应用和商业化发展。

为了解决这一问题，材料科学家们致力于开发高质量、可扩展的氮化硼薄膜合成方法，尤其是通过化学气相沉积（CVD）技术来实现大面积、高质量的单晶hBN薄膜的生长。近期的研究表明，采用传统的三角形hBN岛屿生长方法，已成功在铜（Cu）和镍（Ni）基底上获得大面积的hBN单层和多层薄膜，但在形态工程上仍然存在挑战。

针对这一问题，南洋理工大学材料科学与工程学院Bo Tian、沙特阿拉伯科技大学（KAUST）物理科学与工程学院Xixiang Zhang等课题组携手提出了一种新方法，通过合并良对齐的非常规六边形hBN岛屿，在Cu(111)箔上成功生长出高质量的单晶单层hBN薄膜。研究结果表明，这种方法不仅提高了hBN薄膜的晶体质量和介电性能，而且使得薄膜在层厚和单晶性方面表现出色。该研究为氮化硼的合成提供了新的思路，为其在后硅应用中的潜力奠定了基础。

【表征解读】

本文通过共聚焦拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、导电原子力显微镜（CAFM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，对氮化硼（hBN）薄膜的生长特性及其界面性质进行了深入研究，从而揭示了hBN薄膜的高晶体质量和优良介电特性。拉曼光谱分析提供了hBN单层的特征峰，验证了其单晶特性和薄膜的均匀性，而SEM和EBSD则通过表面形态和晶体取向的表征，显示出hBN岛屿的生长机制及其与基底之间的相互作用。

针对hBN薄膜中不同边缘现象的观察，本文利用导电原子力显微镜（CAFM）探测了电流分布特征，揭示了其导电性与材料缺陷之间的关系。此外，通过TEM的高分辨成像，我们能够直接观察到hBN与铜基底的界面结构，深入了解了其晶体质量和界面相互作用的微观机理。采用电子能量损失光谱（EELS）对界面化学成分进行分析，进一步确认了hBN/Cu界面的化学特性，这为理解材料的电气性能提供了重要依据。

在此基础上，通过多种表征手段的结合，研究结果显示出大面积、单晶hBN薄膜的优越性能，尤其是在高频电子器件和神经形态计算中的应用潜力。通过SEM和AFM的联合应用，我们成功地绘制了hBN薄膜的表面形貌和电流分布图，表明该材料具有良好的均匀性和稳定性，适合于未来纳米电子器件的构建。

总之，经过系统的拉曼光谱、SEM、CAFM、TEM和XPS表征，我们深入分析了氮化硼薄膜的生长特性、结构质量及其与基底的界面性质。这些表征不仅揭示了hBN在微观层面的重要特性，还促进了新型高质量二维材料的制备，推动了后硅时代电子器件的发展。本文的研究结果为进一步探索hBN及其异质结构在新兴电子和光电应用中的潜力奠定了坚实基础。

Cu(111)基底上氮化硼（hBN）岛屿的三角形和六角形形状

参考文献：Li, J., Samad, A., Yuan, Y. et al. Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands. Nat Commun 15, 8589 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52944-9