科學(xué)家提出傾斜臺(tái)階面外延生長(zhǎng)菱方氮化硼單晶方法

常見的六方相氮化硼（hBN）因化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好以及表面無懸掛鍵原子級(jí)平整等特點(diǎn)，被視為理想的寬帶隙二維介質(zhì)材料。菱方相氮化硼（rBN）可以保持hBN較多優(yōu)異性質(zhì)，并具有非中心對(duì)稱的ABC堆垛結(jié)構(gòu)，因而具備本征的滑移鐵電性和非線性光學(xué)性質(zhì)。rBN是極具應(yīng)用潛力的功能材料，可以為變革性技術(shù)應(yīng)用如存算一體器件和深紫外光源等提供新材料和解決方案。然而，相較于常見的hBN晶體，rBN晶體屬于亞穩(wěn)相，因而制備多層rBN單晶充滿挑戰(zhàn)。制備困難在于快速生長(zhǎng)的首層hBN薄膜對(duì)襯底催化產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，阻礙后續(xù)層數(shù)的持續(xù)生長(zhǎng)，同時(shí)，界面間B和N原子的范德華作用導(dǎo)致具有AA’A堆垛的hBN晶體在成核過程中具有能量?jī)?yōu)勢(shì)。因此，人工制造大尺寸rBN晶體是尚未解決的難題。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員白雪冬團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)的科研人員等合作，在氮化硼單晶制備方面取得進(jìn)展。2019年，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了利用表面對(duì)稱性破缺襯底外延非中心對(duì)稱型二維單晶的方法，實(shí)現(xiàn)了大面積單層hBN單晶薄膜制備。近日，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出基于表面對(duì)稱性破缺襯底面內(nèi)、面外協(xié)同調(diào)控的創(chuàng)新機(jī)制，即通過在單晶金屬鎳表面構(gòu)建由（100）晶面和（110）晶面組成斜面高臺(tái)階，在化學(xué)氣相沉積的形核階段匹配并逐層鎖定rBN晶格的面內(nèi)晶格取向和面外滑移矢量，進(jìn)而在大面積范圍內(nèi)誘導(dǎo)形成同向rBN晶疇。掃描透射電子顯微鏡觀測(cè)表明，取向一致的rBN晶疇通過逐層無縫拼接，形成具有精準(zhǔn)ABC原子堆垛的晶體結(jié)構(gòu)，制備出rBN單晶，面積可達(dá)4×4平方厘米。

該研究通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，rBN非中心對(duì)稱堆垛會(huì)導(dǎo)致其層間電極化矢量在面外方向積累，展現(xiàn)鐵電性。研究利用壓電力掃描探針，測(cè)量驗(yàn)證了rBN具有高居里溫度鐵電性，并實(shí)現(xiàn)了鐵電疇區(qū)反復(fù)的擦、寫操作。透射電鏡原位觀測(cè)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了rBN的極化翻轉(zhuǎn)源自層間滑移。

該工作提出了傾斜臺(tái)階面制備多層菱方氮化硼單晶的新方法，創(chuàng)新了表面外延生長(zhǎng)模式，通過精準(zhǔn)排列三維空間原子，人工制造新型晶體，并將以往的氮化硼絕緣介質(zhì)賦予鐵電存儲(chǔ)功能，為制造存算一體器件提供了新的材料策略。

5月1日，相關(guān)研究成果以Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上，并申請(qǐng)國(guó)際PCT專利和中國(guó)發(fā)明專利。該工作由物理所、北京大學(xué)、西湖大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合作完成。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院和廣東省的支持。