科學家提出傾斜臺階面外延生長菱方氮化硼單晶方法

常見的六方相氮化硼（hBN）因化學穩定、導熱性能好以及表面無懸掛鍵原子級平整等特點，被視為理想的寬帶隙二維介質材料。菱方相氮化硼（rBN）可以保持hBN較多優異性質，并具有非中心對稱的ABC堆垛結構，因而具備本征的滑移鐵電性和非線性光學性質。rBN是極具應用潛力的功能材料，可以為變革性技術應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晶體屬于亞穩相，因而制備多層rBN單晶充滿挑戰。制備困難在于快速生長的首層hBN薄膜對襯底催化產生屏蔽效應，阻礙后續層數的持續生長，同時，界面間B和N原子的范德華作用導致具有AA’A堆垛的hBN晶體在成核過程中具有能量優勢。因此，人工制造大尺寸rBN晶體是尚未解決的難題。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員白雪冬團隊與北京大學的科研人員等合作，在氮化硼單晶制備方面取得進展。2019年，該團隊開發了利用表面對稱性破缺襯底外延非中心對稱型二維單晶的方法，實現了大面積單層hBN單晶薄膜制備。近日，該團隊進一步提出基于表面對稱性破缺襯底面內、面外協同調控的創新機制，即通過在單晶金屬鎳表面構建由（100）晶面和（110）晶面組成斜面高臺階，在化學氣相沉積的形核階段匹配并逐層鎖定rBN晶格的面內晶格取向和面外滑移矢量，進而在大面積范圍內誘導形成同向rBN晶疇。掃描透射電子顯微鏡觀測表明，取向一致的rBN晶疇通過逐層無縫拼接，形成具有精準ABC原子堆垛的晶體結構，制備出rBN單晶，面積可達4×4平方厘米。

該研究通過理論計算發現，rBN非中心對稱堆垛會導致其層間電極化矢量在面外方向積累，展現鐵電性。研究利用壓電力掃描探針，測量驗證了rBN具有高居里溫度鐵電性，并實現了鐵電疇區反復的擦、寫操作。透射電鏡原位觀測結果進一步確認了rBN的極化翻轉源自層間滑移。

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

5月1日，相關研究成果以Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal為題，在線發表在《自然》（Nature）上，并申請國際PCT專利和中國發明專利。該工作由物理所、北京大學、西湖大學、中國科學院深圳先進技術研究院合作完成。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院和廣東省的支持。

斜面臺階外延生長多層菱方氮化硼單晶的原理和制備流程