Advanced Materials:二维材料新宠——原子级六方氮化硼及其异质结

六方氮化硼(h-BN)是一种二维层状宽带隙绝缘材料,其结构与石墨烯类似,但带隙高达~6 eV。它除了具有通常二维材料具有的特性外,如平面二维结构、表面具有原子级平整,不存在悬挂键和陷阱电荷等,h-BN还具有独特且优异的力学、化学、热稳定, 双曲光学特性及声子振动特性,因此在非线性光学领域、紫外激光器/探测器、近场光学/成像、以及保护层材料方面具有广泛的应用。此外,h-BN可作为介电层、隧穿层、保护材料与其它二维材料构成异质结,从而展现出各种新奇的性能,在光/电子器件方面应用。当前,虽已有晶圆级(4英寸)尺寸的h-BN单晶薄膜的生长案例,但在生长原理、技术、工艺、装备等方面,均不够成熟,尤其在大面积单晶薄膜的生长机制、调控方法、异质结构等方面。此外,h-BN作为新兴声子材料和非线性关系材料,在单光子发射、近场光学成像、双曲透镜等方面初见端倪,因此受到了学术界和工业界的双重重视。

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院/“微系统与微结构制造” 教育部重点实验室胡平安教授课题组,自2012年以来,在国内率先开展了针对h-BN的生长机制、调控方法、大面积单晶薄膜的制备等的研究工作,取得了一系列原创性成果。近期受《Adv. Mater.》期刊邀请撰写了题为“ Atomically Thin Hexagonal Boron Nitride and Its Heterostructures”的长篇综述。该综述系统总结了h-BN生长调控和光电子器件应用方面的系列成果(DOI:10.1002/adma.202000769文中提出了表界面性质调控是大尺寸单晶化薄膜生长的关键,揭示了h-BN与衬底之间的外延关系,控制h-BN晶畴取向一致性是实现大面积单晶薄膜的核心,总结归纳了生长衬底对于h-BN生长的调控。通过扩大金属催化剂单晶晶畴尺寸、使用单晶金属、液态金属衬底等方案,提升单晶薄膜的尺寸。同时,在单晶薄膜生长调控的基础上,直接生长其它二维材料形成异质结结构,保证异质结界面的干净以及原子级过渡,是构筑高性能异质结器件的基础,也是探索新的物理现象及规律的材料保障。在h-BN及其异质结结构的基础,该综述详细总结了h-BN在电学及光电子器件中应用成果,特别是h-BN作为非线性光学和声子材料,所展现出的迷人的性质和独特的优势,指出这些将是h-BN未来应用的新领域。 该综述第一作者为哈尔滨工业大学“微系统与微结构制造” 教育部重点实验室张甲教授。