研究背景
二維氮化硼（hBN）的堆疊順序是決定其多型性及獨特物理性質的關鍵因素。盡管大多數hBN層采用熱力學穩定的AA′堆疊順序，但實現其他堆疊配置一直是一個長期的挑戰。
鑒于此，浦項科技大學Si-Young Choi & Jong Kyu Kim團隊在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Wafer-scale AA-stacked hexagonal boron nitride grown on a GaN substrate”的最新論文。團隊展示了通過金屬有機化學氣相沉積技術（MOCVD），在2英寸單晶氮化鎵（GaN）晶圓上可擴展地合成出具有前所未有的AA堆疊的hBN，其中原子單層沿c軸對齊，且無任何平移或旋轉。這一之前被認為是熱力學上不利的hBN多型性，通過該方法得以實現。
綜合結構和光學表征以及理論模型表明，AA堆疊的多層hBN形成，并揭示了氮化鎵斜面表面上hBN的成核過程促進了層的單向對齊。在這一過程中，電子摻雜起到了穩定AA堆疊配置的關鍵作用。研究者的研究結果為工程化hBN多型的可擴展合成提供了進一步的見解，并展示了其獨特的性質，如較大的光學非線性。
研究亮點
（1）實驗首次實現了在單晶氮化鎵（GaN）基底上，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法合成具有前所未有的AA堆疊結構的二維氮化硼（hBN）。該hBN層在c軸方向上沒有任何平移或旋轉，且層與層之間完美對齊，這一配置被認為是熱力學上不穩定的hBN多型結構。
（2）實驗通過在氮化鎵（GaN）單晶基底上進行外延生長，成功實現了AA堆疊結構的hBN薄膜。該薄膜形成了由GaN納米針支撐的懸浮少層結構。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、近邊X射線吸收精細結構（NEXAFS）和拉曼光譜等綜合表征，確認了該hBN薄膜保持了六方層狀結構，且B和N原子呈sp2雜化。XPS和NEXAFS譜圖揭示了該膜的化學成分，顯示了B和N的典型特征信號。拉曼成像表明，膜中的E2g振動模式位置變化極小，表明薄膜沒有顯著的應變。
（3）研究還表明，hBN薄膜的AA堆疊結構通過電子摻雜得以穩定，且該電子摻雜在層間對準的形成中起到了關鍵作用。理論建模進一步揭示，氮化鎵表面微斜面有助于推動hBN層的單向對齊。這項研究為工程化hBN多型的可擴展合成提供了新思路，并展示了其在大光學非線性等領域的潛在應用。
圖文解讀
圖1:在GaN納米針上，MOCVD生長的懸浮hBN膜。
圖2:在GaN納米針上，MOCVD生長的懸浮（AA）hBN的結構研究。
圖3:（AA）hBN和（AA）hBN薄膜的光學性質。
圖4:計算的（AA）hBN和（AA′）hBN的電子能帶結構和構建基本間接激子的加權振子強度圖。
圖5:（AA）hBN的生長機理。
結論展望
總之，本文報道了在2英寸GaN晶圓上使用MOCVD合成前所未有的AA堆疊氮化硼（hBN）。MOCVD合成的hBN薄膜由大約七層原子單層AA堆疊組成，懸浮在GaN納米針上。通過包括LAADF-STEM成像、原子模擬、基于卷積神經網絡的分析和橫截面ABF-STEM成像等微觀結構分析的協同組合，研究者證明了由MOCVD生長的懸浮hBN薄膜具有AA堆疊結構。此外，二次諧波生成（SHG）、二階拉曼和深紫外光（DUV）光致發光（PL）光譜顯示出至少五種獨特的光學特性，這些特性僅在AA堆疊的hBN中表現出來。令人驚訝的是，盡管AA堆疊hBN的本征帶隙為間接帶隙，但由于其優異的晶體質量和AA堆疊hBN避免了堆疊缺陷相關的輻射復合，其內部量子效率估計可與從高質量塊體晶體剝離的AA′堆疊hBN相媲美。
這些發現為超薄且光學厚重的深紫外光（DUV）光電子學提供了巨大潛力。研究者提出了一種步階引導生長機制，其中hBN從氮端步階的傾斜GaN基底上成核，并沿Ga端階面單向生長，同時電子摻雜有助于穩定AA堆疊配置。研究者堅信，這些發現擴展了對多層hBN合成方法的理解，并為探索源自前所未有的晶體結構的獨特性質提供了機會。這些進展在各個領域具有實際應用，包括高效的DUV光電子學、利用大光學非線性和優異鐵電性進行潛在超薄量子光子學和鐵電應用。
原文詳情：
Moon, S., Okello, O.F.N., Rousseau, A. et al. Wafer-scale AA-stacked hexagonal boron nitride grown on a GaN substrate. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02173-2
