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中科院上海微系统所制备出六方氮化硼单晶畴

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h-BN俗称白石墨,其晶体结构和石墨相同,由于具有表面平整、无悬挂键、化学稳定性好和介电特性好等特点,可用作石墨烯的高性能衬底,也可以和石墨烯形成异质结和超结构,在基础研究和器件探索方面具有重要应用潜力,是二维材料研究领域的重要热点。而CVD方法是规模化制备h-BN的主要技术途径,常用催化剂为铜、镍和铂等金属。由于形核密度高,先前报道的h-BN单晶尺寸普遍较小。

该工作提供了一种制备高品质单层锑烯的方法,也提供了一种制备具有原子级平整界面的二维材料异质结构的新思路,即直接利用TMD材料作为衬底外延生长单层二维原子晶体材料,为二维材料异质结器件的研究提供了有价值的参考。同时,锑烯作为类石墨烯结构的新型二维原子晶体材料,拓展了非碳基二维蜂窝状晶体材料的研究领域,而且它具有宽带隙、高迁移率的特点,在大气环境下稳定,在未来电子器件方面具有潜在的应用前景。

图2 h-BN单晶畴尺寸与生长条件之间的关系; 横向尺寸超过100微米的h-BN单晶畴

《中国科学报》 (2015-01-27 第4版 综合)

中国科学院院士、中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员高鸿钧领导的研究团队,多年来致力于新型二维晶体材料的制备、物性与应用基础研究,取得了一系列研究成果。近日,该研究组博士生武旭、邵岩和研究员王业亮等,制备了单层锑烯,并对其结构和特性进行了研究。在光电子能谱分析方面,该研究团队与北京同步辐射中心的副研究员王嘉鸥等合作;在理论计算方面,他们与物理所副研究员孙家涛等合作;所使用的二碲化钯单晶衬底由物理所研究员石友国等提供。

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本报讯1月25日,记者从中科院上海微系统所获悉,该所卢光远和吴天如等科研人员采用化学气相沉积方法,成功在铜镍合金衬底上制备出单层高质量六方氮化硼单晶畴,单晶面积较之前文献报道高出约两个数量级。专家认为,该项研究进展为研发晶圆级h-BN、h-BN/石墨烯异质结和超结构奠定了重要实验基础。相关研究成果发表于《自然—通讯》期刊上。

在具体的实验方案设计过程中,科研人员考虑到层状的过渡金属二硫属族化合物PdTe2表面化学性质稳定,同时具有六方对称性,晶格周期与锑单晶层内的周期晶格匹配,与理论预言的单层锑烯的晶格失配度也只有2.3
%。因此,他们选用PdTe2作为衬底,利用分子束外延生长方法,获得了高质量单层锑烯。借助低能电子衍射和扫描隧道显微技术等手段,对所生长的单层锑烯的精细原子排布结构进行研究,从STM图可以清晰地分辨出锑原子形成了六角蜂窝状结构,为锑烯;LEED实验证明,他们获得了大面积、高质量的锑烯单晶。结合X射线光电子能谱实验和电子局域函数理论计算结果,揭示了单层锑烯和基底之间局域电子态很少,只有弱的范德瓦尔斯相互作用。进一步的STM和XPS实验观测结果表明,单层锑烯在空气中具有高的化学稳定性,暴露空气后没有被氧化,这一特性对于锑烯进一步走向实际应用至关重要。

图1 离子束溅射沉积方法制备h-BN二维原子晶体的示意图;
转移到SiO2/Si衬底上的h-BN二维原子晶体

该科研团队发现在铜衬底中固溶一定比例的镍,可大幅度降低h-BN的成核密度,通过研究h-BN在合金衬底上的稳定性以及优化生长工艺参数,成功制备出达7500
μm2的高质量单层h-BN单晶畴。同时研究还验证了单层和多层h-BN对屏蔽SiO2衬底影响,提高石墨烯载流子迁移率的作用。专家认为,h-BN的优异特性还有望用于超导器件噪声机理的研究。

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