科技进展

上海微系统所在介质衬底表面制备高质量多层h-BN研究方面取得新进展

  

  212日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室在《自然-通讯》杂志上在线发表了题为“介质衬底表面气--固法制备大面积多层六方氮化硼”(Vapor–liquid–solid growth of large-area multilayer hexagonal boron nitride on dielectric substrates)的论文。该研究创造性提出一种制备多层六方氮化硼(h-BN)的新策略,突破了目前二维材料与器件应用缺少与之匹配的大面积高质量介质材料的科学难题。

  面向二维晶体理论研究与器件应用,h-BN以原子级平整表面、无悬挂键及良好的理化稳定性等优势,成为目前最具潜力的二维晶体器件的介质衬底和封装材料。近年来,上海微系统所吴天如、卢光远、时志远等研究人员着眼于h-BN单晶生长与异质结构筑等领域展开了一系列研究(Nature Communications, 2015, 6, 6160; Advanced Science, 2017, 4, 1700076)相比于单层h-BN,多层h-BN保持二维晶体本征特性中发挥关键作用。然而,多年来大面积高质量多层h-BN薄膜制备技术一直未能取得突破。基于机械剥离h-BN片层作为介质衬底和封装层的单个二维晶体器件原型演示难以适应未来规模化应用。

  上海微系统所吴天如、时志远研究团队设计了Fe-B合金新体系,熔融Fe82B18合金催化气态N2形成N原子,促进其与体系中B原子化合形成B-N对。液态金属中大量空位迁移通道以及蓝宝石衬底与h-BN取向关系促进了熔融合金/蓝宝石界面5~50 nm厚高质量h-BN薄膜的外延生长。通过力学测量证明其杨氏模量接近理论计算数值研究团队进一步提出多层h-BN生长的“溶解-扩散-外延”新机制,该方法对于可控制备二元体系二维晶体薄膜具有一定的开拓意义。上海微系统所王浩敏研究团队通过构筑h-BN/Graphene/h-BN异质结构,验证了多层h-BN作为介质衬底和封装层对保持二维晶体本征特性的积极作用。上海科技大学物质学院刘志研究团队利用原位近常压XPS等手段系统研究了多层h-BN的生长新机制。该工作为以高质量晶圆级多层h-BN薄膜替代机械剥离片层,在其表面构建二维晶体器件实现大规模应用奠定了基础。

  该工作时志远博士和王秀君博士为共同第一作者,吴天如副研究员与王浩敏研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中国科学院先导B类、中国科学院青年创新促进会、上海市启明星计划以及上海市科委的资助。

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-14596-3

1. 基于气--固法实现介质衬底表面大面积多层h-BN可控制备

2.多层h-BN的力学性能表征及电子学应用