共同第一作者：時(shí)志遠(yuǎn)，王秀君通訊單位：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所論文DOI：10.1038/s41467-020-14596-3采用氣-液-固（VLS）合成策略，利用熔融Fe82B18合金和N2作為反應(yīng)物，基于液態(tài)合金中存在的大量空位而構(gòu)成的遷移通道及藍(lán)寶石（sapphire）襯底與六方氮化硼（h-BN）的取向關(guān)系，在液固界面獲得5-50 nm厚大面積高質(zhì)量多層h-BN。通過原位近常壓光電子能譜等手段系統(tǒng)研究多層h-BN形核生長過程，進(jìn)一步提出多層h-BN生長的“溶解－擴(kuò)散－外延”新機(jī)制，該方法對于可控制備二元體系二維晶體薄膜具有一定的開拓意義。通過構(gòu)筑h-BN/Graphene/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了多層h-BN作為介質(zhì)襯底和封裝層對保持二維晶體本征特性的積極作用。該工作為制備高質(zhì)量大面積多層h-BN薄膜并進(jìn)一步替代傳統(tǒng)機(jī)械剝離片層提供新思路，以期在未來二維晶體理論研究及器件規(guī)模化構(gòu)筑中發(fā)揮巨大作用。面向二維晶體理論研究與器件應(yīng)用，h-BN以原子級平整表面、無懸掛鍵及良好的理化穩(wěn)定性等優(yōu)勢，成為目前最具潛力的二維晶體器件的介質(zhì)襯底和封裝材料。此外，其與石墨烯耦合所產(chǎn)生的新奇物理特性同樣廣受關(guān)注。近年來，基于CVD法在催化金屬或合金襯底表面制備大面積單層h-BN單晶取得飛速發(fā)展。中科院上海微系統(tǒng)所吳天如、盧光遠(yuǎn)、時(shí)志遠(yuǎn)等研究人員著眼于h-BN單晶生長與異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑等領(lǐng)域也展開了一系列研究。相比于單層h-BN，具有一定厚度的多層h-BN可以更加有效的屏蔽來自襯底和外界環(huán)境的干擾，在保持二維晶體本征特性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，多年來大面積高質(zhì)量多層h-BN薄膜制備技術(shù)一直未能取得突破。基于機(jī)械剝離h-BN片層作為介質(zhì)襯底和封裝層的單個(gè)二維晶體器件原型演示難以適應(yīng)未來規(guī)模化應(yīng)用。2月12日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線刊發(fā)了中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院上海微系統(tǒng)所”）信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳天如研究團(tuán)隊(duì)與王浩敏研究團(tuán)隊(duì)以及上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院劉志研究團(tuán)隊(duì)基于氣-液-固法在介質(zhì)襯底表面制備大面積多層h-BN的研究成果。論文題目為“Vapor–liquid–solidgrowth of large-area multilayer hexagonal boron nitride on dielectricsubstrates”，中科院上海微系統(tǒng)所為唯一通訊單位。時(shí)志遠(yuǎn)博士和15級博士生王秀君為共同第一作者，吳天如副研究員與王浩敏研究員為共同通訊作者。該研究創(chuàng)造性提出一種制備多層h-BN的新策略，突破了目前二維材料與器件應(yīng)用缺少與之匹配的大面積高質(zhì)量介質(zhì)材料的科學(xué)難題。在本論文中，研究人員通過設(shè)計(jì)新型Fe-B合金體系，以熔融Fe82B18合金和氣態(tài)N2為出發(fā)點(diǎn)采用氣液固生長策略實(shí)現(xiàn)多層h-BN制備（圖1a）。所得h-BN連續(xù)膜具有較好的厚度一致性而且具有良好的層間堆垛（圖1b和1c）。值得一提的是，Fe82B18合金具有較低的熔點(diǎn)（~1174 oC），該合金不僅可以持續(xù)提供B源，還可以催化N2裂解形成N原子，促進(jìn)合金體系中B原子與N原子化合形成B-N對并溶解至液態(tài)合金中，通過液態(tài)合金中存在的大量空位所構(gòu)成的擴(kuò)散通道擴(kuò)散至液態(tài)Fe82B18合金/固態(tài)sapphire襯底界面形成h-BN，進(jìn)一步利用sapphire與h-BN取向關(guān)系促進(jìn)多層h-BN外延生長（圖1d）。通過氣-液-固法實(shí)現(xiàn)sapphire襯底表面5-50 nm厚多層h-BN可控制備。所得多層h-BN的拉曼E2g振動模式半峰寬約為10.4 cm-1，其X-射線衍射中的（002）衍射峰半峰寬小于0.19o，表征結(jié)果均表明所得多層h-BN具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。圖1 基于氣-液-固法實(shí)現(xiàn)介質(zhì)襯底表面大面積多層h-BN可控制備。（a）基于Fe82B18合金和N2作為源物質(zhì)的藍(lán)寶石（sapphire）襯底表面多層h-BN制備流程圖；（b）Sapphire上多層h-BN的截面透射電子顯微鏡（TEM）圖像，多層h-BN厚度約為40 nm；（c）多層h-BN的高分辨TEM圖像，插圖為對應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）斑點(diǎn)；（d）Sapphire襯底上h-BN的原子排列模型，sapphire與h-BN存在30°轉(zhuǎn)角。研究團(tuán)隊(duì)基于原子力顯微鏡（AFM）測量不同厚度的多層h-BN的力學(xué)性能（圖2a）。通過“干法轉(zhuǎn)移”工藝將多層h-BN連續(xù)膜轉(zhuǎn)移至具有陣列微孔的SiO2 (300nm)/Si襯底表面，圖2b為轉(zhuǎn)移后多層h-BN的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像以及單一微孔上多層h-BN的AFM形貌相。通過測量不同厚度多層h-BN的力-位移曲線，CVD法所得多層h-BN的楊氏模量約為1.04 ± 0.1 TPa，接近理論計(jì)算數(shù)值（圖2c）。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用“干法轉(zhuǎn)移”和“精準(zhǔn)堆疊”工藝構(gòu)筑h-BN/Graphene/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過一維接觸構(gòu)筑霍爾器件（圖2d）。測量結(jié)果表明，CVD法制備多層h-BN作為介質(zhì)襯底和封裝層對保持Graphene本征特性具有積極作用（圖2e和2f）。圖2 多層h-BN的力學(xué)性能表征及電子學(xué)應(yīng)用。（a）基于AFM平臺測量多層h-BN力學(xué)性能的示意圖；（b）SiO2 (300 nm)/Si襯底上多層h-BN的OM圖像，插圖為單一微孔上多層h-BN的AFM圖像；（c）不同厚度多層h-BN的力-位移曲線；（d）h-BN/Graphene/h-BN霍爾器件示意圖；（e）1 T磁場和300 K溫度下，graphene縱向電阻和橫向電阻隨背柵電壓變化，插圖為典型器件的OM圖像；（f）不同磁場下，graphene的電子遷移率隨背柵電壓變化。在這項(xiàng)工作中，通過氣-液-固法，在sapphire襯底表面實(shí)現(xiàn)了具有可控厚度的高質(zhì)量多層h-BN。熔融Fe82B18的使用促進(jìn)了h-BN均勻多層的等溫生長，熔融Fe82B18合金和sapphire襯底的界面限制作用以及sapphire與h-BN的取向關(guān)系使得h-BN嚴(yán)格按照二維生長。原位APXPS等系列表征分析了B-N形成和生長過程，進(jìn)一步提出了“溶解-擴(kuò)散-外延”生長新機(jī)制。此外，光致發(fā)光譜以及拉曼測量和基于AFM平臺的力學(xué)測量以及h-BN/Graphene/h-BN霍爾器件的電子輸運(yùn)測量為高質(zhì)量多層h-BN提供證據(jù)。該項(xiàng)工作證明了氣-液-固法是一種有效的合成二維二元原子晶體策略，為晶圓級多層h-BN合成和與其他二維材料集成提供了可能。吳天如，博士，中科院上海微系統(tǒng)所副研究員。青促會2016年會員，2017年入選上海市青年拔尖人才計(jì)劃，2018年入選上海市青年啟明星計(jì)劃 (A類)。主要從事二維晶體及異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長，表征以及和二維電子器件等方面的研究。主持/參加了國家自然科學(xué)基金、國家02集成電路重大專項(xiàng)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目。以第一/通訊作者身份在Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Sci., Adv. Func. Mater等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇，引用1000余次。申請發(fā)明專利40余項(xiàng)。王浩敏，博士，中科院上海微系統(tǒng)所研究員。主要從事研究低維碳基系統(tǒng)物理研究，采用電學(xué)和光學(xué)探測手段在極端物理?xiàng)l件下（極低溫度，超強(qiáng)磁場）來研究其介觀物理輸運(yùn)性質(zhì)。此外，通過開發(fā)新的碳樣品制備方法提高樣品產(chǎn)量和質(zhì)量，開發(fā)石墨烯、超窄石墨烯納米帶在大規(guī)模集成高頻電子器件及超導(dǎo)電學(xué)器件方面的應(yīng)用。主持/參加了國家自然科學(xué)基金、國家02集成電路重大專項(xiàng)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目。在Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Sci., Nano. Lett., ACS Nano等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表高水平論文多篇，引用5000余次，h因子為26。https://www.nature.com/articles/s41467-020-14596-3
