研究簡介
六方氮化硼（hBN）作為少數二維絕緣材料之一，對促進未來硅基電子器件和集成電路的發展具有戰略意義。實現高質量、單層的hBN單晶的規模生產對于其在半導體工業中的應用至關重要。然而，化學氣相沉積（CVD）合成hBN的物理機制尚未充分探索。其形態工程的研究對于研發大規模生產高質量hBN薄膜的合成技術至關重要。
近日，新加坡南洋理工大學田博研究員和沙特阿卜杜拉國王科技大學張西祥教授團隊報導了一種新型具有六邊形形貌的單晶hBN。研究團隊探索了hBN的CVD生長過程中的物理機制，發現少量氧氣的參與可以有效調控單晶hBN島的形狀。通過調節CVD系統中的微弱的氧含量，成功合成了排列一致的六邊形hBN島，并通過這些定向的六邊形島在單晶金屬箔襯底上的生長，形成了連續、高質量的單晶單層hBN薄膜。DFT理論計算研究了在微弱氧輔助環境中生長的hBN單層邊緣的能量態，提供了hBN六邊形島形態形成機制的見解。此研究開辟了控制二維材料島形貌的新途徑，為工業規模生產高質量、大面積的單晶hBN奠定了基礎。相關研究工作以“Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands”為題發表在國際期刊《Nature Communications》上，李俊竺博士為論文第一作者， 田博研究員和張西祥教授為論文通訊作者。
圖1 | 六方氮化硼（hBN）島的三角形和六邊形形態在Cu(111)襯底上的形成。
圖2 | 在Cu(111)襯底上氧輔助CVD生長六邊形hBN單晶。
圖3 | 原子結構示意圖和密度泛函理論（DFT）計算。
圖4 | 高質量六邊形hBN島融合形成的單層單晶hBN在Cu(111)上。
結論與展望
本研究首次展示了氧輔助CVD技術在制備定向六邊形hBN島嶼及合成高質量單晶hBN薄膜方面的巨大潛力。通過這種創新方法，研究團隊提出了新型hBN六邊形形島嶼的可行性，還成功實現了無孔洞結構和極低的缺陷密度的大面積單晶hBN薄膜。未來，這項技術將為新一代二維材料性電子器件的發展鋪平道路，同時推動二維材料在超導、神經形態計算和高性能電子器件中的廣泛應用。
文獻：
Li, Junzhu, et al. "Single-crystal hBN Monolayers from Aligned Hexagonal Islands." Nature Communications 15.1 (2024): 8589.
