??2019年5月22日，北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士與合作者在《自然》雜志在線發(fā)表題為“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystalhexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究論文，在國(guó)際上首次報(bào)道利用中心反演對(duì)稱性破缺的單晶銅襯底實(shí)現(xiàn)分米級(jí)二維單晶六方氮化硼的外延制備。該生長(zhǎng)機(jī)制具有普適性，可推廣到其它二維材料大面積單晶的制備。

二維單晶六方氮化硼的外延制備及其生長(zhǎng)機(jī)理研究

材料是推動(dòng)現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。基于硅基材料的各種先進(jìn)器件引領(lǐng)了現(xiàn)代信息科技革命，對(duì)世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生了重要影響。近年來(lái)，隨著芯片尺寸的不斷減小，短溝道效應(yīng)、熱效應(yīng)等日趨明顯，開(kāi)發(fā)全新的量子材料體系以實(shí)現(xiàn)變革性的器件應(yīng)用已成為當(dāng)前科技的研究熱點(diǎn)。二維材料作為一種重要的量子材料，兼具極限尺寸的物理厚度、完美的表界面、優(yōu)異的物理性質(zhì)，且體系豐富，包含導(dǎo)體（石墨烯）、半導(dǎo)體（過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷等）和絕緣體（六方氮化硼），是潛在變革性技術(shù)應(yīng)用所需要的核心基礎(chǔ)材料。規(guī)?；母叨似骷?yīng)用必須基于大面積、高品質(zhì)的單晶材料，因此二維單晶材料的制備研究具有重要的科學(xué)意義和技術(shù)價(jià)值。

利用單晶襯底外延制備大面積、高質(zhì)量二維單晶材料一直是納米科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題，但其具體實(shí)現(xiàn)卻面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2017年，研究團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了米級(jí)單晶Cu(111)襯底的制備方法并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了米級(jí)單晶石墨烯的外延生長(zhǎng)（Science Bulletin 2017, 62, 1074）。與石墨烯不同，六方氮化硼等其它絕大多數(shù)二維材料不具有中心反演對(duì)稱性，其外延生長(zhǎng)普遍存在孿晶晶界問(wèn)題：即六方氮化硼晶疇在常規(guī)單晶襯底上存在兩個(gè)夾角為180°的優(yōu)勢(shì)取向，在晶疇拼接時(shí)會(huì)形成晶界缺陷。

開(kāi)發(fā)合適對(duì)稱性的單晶襯底是解決這一科學(xué)難題的關(guān)鍵。劉開(kāi)輝課題組與合作者探索出利用對(duì)稱性破缺的襯底外延非中心反演對(duì)稱二維單晶的方法。該方法通過(guò)課題組獲得專利保護(hù)的退火工藝將工業(yè)多晶銅箔轉(zhuǎn)化為僅有C1對(duì)稱性的Cu(110)小角度傾斜晶面，該晶面上具有獨(dú)特的Cu<211>臺(tái)階。利用六方氮化硼晶疇中硼型和氮型鋸齒形邊界與Cu<211>臺(tái)階耦合強(qiáng)度的差異打破正向與反向（180°轉(zhuǎn)角）六方氮化硼晶疇的能量簡(jiǎn)并，從而實(shí)現(xiàn)取向單一的晶疇生長(zhǎng)并無(wú)縫拼接為二維單晶薄膜。該方法可推廣至其它二維材料的大面積單晶制備，為二維材料的規(guī)?；叨似骷?yīng)用奠定材料基礎(chǔ)。

王理、徐小志、張磊寧、喬瑞喜為論文共同第一作者，劉開(kāi)輝、丁峰、王竹君、白雪冬為論文通訊作者。該研究成果得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委相關(guān)項(xiàng)目，量子物質(zhì)科學(xué)2011協(xié)同創(chuàng)新中心、人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。