毫米尺寸的六方氮化硼单晶畴

　　六方氮化硼（h-BN）二维原子晶体具有宽的带隙、原子级平滑的表面、高的热导率、良好的稳定性等诸多优点，作为石墨烯及其他二维材料的绝缘衬底或栅介质甚具吸引力。高质量的h-BN材料是其性质研究和器件应用的前提和基础，但是目前h-BN单晶畴的尺寸有限，仅百微米量级。最近，中国科学院半导体研究所以c-Al2O3上外延生长的Ni（111）薄膜为衬底成功制备出尺寸达0.6毫米的h-BN单晶畴，相关研究成果发表在2017年3月7日的《Small》上。 

　　该研究发现，平整的衬底表面是抑制h-BN成核的关键，随着外延镍薄膜厚度的增加，Ni薄膜晶粒边界减少及结晶质量提高是获得大尺寸h-BN晶畴的主要原因。同时，由于h-BN和Ni（111）良好的晶格匹配关系，在Ni/c-Al2O3衬底上制备的h-BN单晶畴仅有两种反平行的取向。近边x射线吸收光谱（NEXAFS）、透射电子显微镜（TEM）、导电原子力显微镜（CAFM）等多种表征结果表明，制备的大尺寸h-BN单晶畴具有较高的晶体质量并且表现出优异的介电性能，击穿电场高达7.15 MV/cm。 

　　大尺寸h-BN单晶的生长策略图及利用北京同步辐射装置（BSRF）4B9B-光电子能谱实验站获得的单层（红色曲线）h-BN和参考样品（多层h-BN，黑色曲线）的近边X射线吸收光谱。在B 1s和N 1s的NEXAFS光谱中所有的特征峰都可以分成两组：标记有A、A′和A″的特征峰反映的是内层电子向π电子的跃迁，其余特征峰则对应内层电子向面内σ键的跃迁。图中红色曲线形状与单层h-BN的标准曲线基本一致，且与厚的多层h-BN曲线形状有明显差别表明我们制备的样品中B、N原子是以sp2杂化形成B-N键，即为六方相氮化硼。 

　　这一工作是目前报道的h-BN单晶畴的最大尺寸（2015年英国剑桥大学及2017年美国康奈尔大学报道的h-BN的最大尺寸约300μm），为进一步生长晶圆尺寸h-BN单晶层提供了方向，也为实现h-BN的大面积电子学应用奠定了基础。中国科学院半导体研究所研究员，该研究组组长张兴旺研究员这样描述他们的工作：“感谢北京同步辐射中心对本工作的大力支持，利用同步辐射光束线也必将有助于我们进一步对h-BN单晶的深入表征”。 

　　发表文章： 

Junhua Meng, Xingwang Zhang,* Ye Wang, Zhigang Yin, Heng Liu, Jing Xia, Haolin Wang, Jingbi You, Peng Jin, Denggui Wang and Xiang-Min Meng, Aligned Growth of Millimeter‐Size Hexagonal Boron Nitride Single‐Crystal Domains on Epitaxial Nickel Thin Film, Small, 2017, 13, 1604179.