【大学频道】北京大学刘开辉课题组首次实现分米级二维单晶六方氮化硼的制备

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背景介绍

材料是推动现代高科技产业发展的基础。基于硅基材料的各种先进器件引领了现代信息科技革命，对世界的政治、经济格局产生了重要影响。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。二维材料作为一种重要的量子材料，兼具极限尺寸的物理厚度、完美的表界面、优异的物理性质，且体系丰富包含导体（石墨烯）、半导体（过渡金属硫族化合物、黑磷等）和绝缘体（六方氮化硼），是潜在变革性技术应用所需要的核心基础材料。规模化的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。

利用单晶衬底外延制备大面积、高质量二维单晶材料一直是纳米科技领域的热点研究问题，但其具体实现却面临着巨大的挑战。研究人员开发合适对称性的单晶衬底是解决这一科学难题的关键。

实验重大突破

2019年5月22日，《自然》杂志在线发表题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究论文，在国际上首次报道利用中心反演对称性破缺的单晶铜衬底实现分米级二维单晶六方氮化硼的外延制备。该生长机制具有普适性，可推广到其它二维材料大面积单晶的制备。

该文章利用对称性破缺的衬底外延非中心反演对称二维单晶的方法。该方法通过课题组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Cu(110)小角度倾斜晶面，该晶面上具有独特的Cu<211>台阶。利用六方氮化硼晶畴中硼型和氮型锯齿形边界与Cu<211>台阶耦合强度的差异打破正向与反向（180°转角）六方氮化硼晶畴的能量简并，从而实现取向单一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，为二维材料的规模化高端器件应用奠定材料基础。

二维单晶六方氮化硼的外延制备及其生长机理研究

中国科学院物理研究所博士后王理、北京大学物理学院博士后徐小志、北京大学物理学院博士生乔瑞喜，韩国蔚山国立科技大学张磊宁为论文共同第一作者；北京大学物理学院教授刘开辉，韩国基础科学研究所研究员丁峰、苏黎世联邦理工学院王竹君，中国科学院物理研究所研究员白雪冬为论文通讯作者。该研究由刘开辉课题组与合作者共同完成。

该工作也得到了专家学者的高度评价。

专家点评

百平方厘米单层“白石墨烯”单晶的可控生长

中国科学技术大学宋礼教授

单层六方氮化硼，别名“white graphene”、“白石墨烯”，是一种由硼原子和氮原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料。相较于零能隙的石墨烯，白石墨烯是一种宽带隙绝缘体，具有超平滑的表面和优异的介电特性，在微电子器件、激光器等领域具有广泛的应用前景，特别是二维超薄单原子层器件上，与多种二维材料的融合后有望突破当前芯片高集成化的瓶颈。基于此目标，大面积高质量白石墨烯的可控生长一直是二维材料研究者们追求的目标之一。这一理想的二维单晶材料最近被北京大学、中科院物理研究所、韩国蔚山科技学院及合作单位的科学家们通过巧妙的热处理基底工艺结合化学气相生长方法所实现。以前，气相法合成的单层六方氮化硼单晶尺寸仅仅可以达到1个毫米，现在这一新的生长技术借助单晶铜基底表面邻位台阶与氮化硼齿形边缘耦合成功地消除了生长晶界，给了我们一个百平方厘米的二维单层单晶材料新体系。未来，这种可控合成技术的推广将极大地激励二维单层晶体的基础科学研究，并推动众多潜在应用的深度研发。

相关学术报告视频

2019年5月17日，刘开辉教授在中国科学技术大学作了题为“米级二维单晶材料的生长及性质调控”的报告。报告中提到量子材料，包含拓扑材料、超导材料、二维材料等，是非常有望带来颠覆性应用的新型材料。其中，刘开辉教授重点介绍了六方氮化硼外延生长，利用石墨烯狄拉克能带结构调控二维界面载流子传输动力学。

六方氮化硼外延生长技术介绍短视频

除此之外，刘开辉教授在报告中还详细叙述了利用表面局域元素供应调控二维材料的生长速率、利用单晶金属衬底周期势调控米级二维单晶石墨烯等相关内容。详情请扫描下方二维码观看视频。

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图 | 刘开辉研究员

题   目：米级二维单晶材料的生长及性质调控

报告人：刘开辉

单   位：北京大学

时   间：2019-05-17

地   点：中国科学技术大学

个人简介

刘开辉，北京大学物理学院研究员、课题组长、博士生导师、基金委“优青”、国家重点研发计划课题负责人。本科毕业于北京师范大学物理学系；博士毕业于中科院物理所；2009-2014在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究工作；2014年到北京大学物理学院工作。主要从事界面调控二维材料生长动力学和物性研究，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究方向开展了系列工作。发表科研论文100余篇，通讯/第一作者50余篇包括Nature系列(正刊1篇，子刊10篇)、PNAS(2篇)、JACS(3篇)、Nano Letters(4篇)、Advanced Materials(7篇)；申请专利32项，授权10项。目前担任Science Bulletin副主编，Nanotechnology、低温物理学报编委，全国材料新技术发展研究会理事。曾获北京市科学技术一等奖（2009）和三等奖（2017）、中国十大科技新锐人物（2016）、北京市优秀人才青年拔尖个人（2017）、纳米之星”创新创业大赛团队第一名（2017）等奖项。

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