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材料學(xué)院劉磊課題組在六方氮化硼材料的制備及其同位素效應(yīng)研究中取得系列進(jìn)展

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2022-04-19 15:46:18 | 瀏覽量:770547

摘要:

六方氮化硼(h-BN)材料具有超高熱導(dǎo)和電絕緣性、獨(dú)特的光電性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性,在超高導(dǎo)熱、紫外光源及探測(cè)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。近年來,h-BN中的同位素效應(yīng)吸引了越來越多研究者的興趣。天然的h-BN中,硼元素由2種穩(wěn)定的同位素(10B和11B)構(gòu)成,天然占比分…

六方氮化硼(h-BN)材料具有超高熱導(dǎo)和電絕緣性、獨(dú)特的光電性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性,在超高導(dǎo)熱、紫外光源及探測(cè)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。近年來,h-BN中的同位素效應(yīng)吸引了越來越多研究者的興趣。天然的h-BN中,硼元素由2種穩(wěn)定的同位素(10B和11B)構(gòu)成,天然占比分別為19.9 %和80.1 %;氮元素由2種穩(wěn)定的同位素(14N和15N)構(gòu)成,天然占比分別為99.6 %和0.4 %。同位素特別是B同位素紊亂將影響h-BN的眾多物理性質(zhì),比如造成額外的聲子散射而影響熱導(dǎo)率。通過同位素工程,可以得到純化后的h-10BN和h-11BN,其室溫?zé)釋?dǎo)率提高約40%,聲子極化子壽命也提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,10B同位素具有非常大的熱中子捕獲截面,基于10B富集(99.9%)h-BN的中子探測(cè)器是迄今為止固態(tài)探測(cè)器中探測(cè)效率最高(51.4%)的,有望替代3He管中子探測(cè)器。從基礎(chǔ)研究的角度出發(fā),h-BN是廣泛采用的二維材料器件襯底材料;B同位素純化可以調(diào)整h-BN的電子密度分布及層間范德華(vdW)相互作用。h-BN中的同位素工程,有望成為調(diào)控二維材料異質(zhì)結(jié)性質(zhì)的一個(gè)新的自由度。

基于以上研究背景,北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉磊研究員課題組結(jié)合高溫化學(xué)氣相沉積和單質(zhì)金屬助熔劑法,制備出高質(zhì)量、大尺寸h-BN單晶(最大晶疇尺寸~ 0.5 mm)以及厘米級(jí)連續(xù)薄膜,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了h-BN材料中硼同位素的精準(zhǔn)調(diào)控,揭示了同位素純化后的超高熱導(dǎo)(830 W m-1 K-1)。這一生長技術(shù)的突破,對(duì)基于h-BN的高熱導(dǎo)應(yīng)用、固態(tài)中子探測(cè)、二維材料物理及器件研究等方面具有重要意義。

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