今日Science：白石墨烯里程碑，晶片级单晶hBN膜横空出世

【前言】

六方氮化硼(hBN)被称为白色石墨烯，由交替的六边形B原子和N原子组成的原子级平面层组成，它们通过层间范德华相互作用结合在一起。与石墨烯极佳的导电性不同的是，hNB具有极其优异的绝缘性能，这使得其在各种基础科学和技术领域发挥重要作用，例如，作为电荷波动、接触电阻、栅极电介质、钝化层和原子隧穿层。尽管微米尺寸的多晶hBN已经实现并被用于基础研究，但晶片级单晶hBN (SC-hBN)薄膜还不能用于实际应用。合成SC-hBN膜的一种方法是从随机取向的三角形颗粒开始，并最终将它们合并以形成多晶hBN (PC-hBN)膜。然而，随机取向的hBN晶粒之间的晶界不可避免地产生PC-hBN膜，并且在PC-hBN中大量的晶界导致电荷散射，位点捕获，阻碍了高性能电子器件的发展。因此，期望科研人员获得SC-hBN膜的替代方案。

【成果简介】

今日，来自韩国成均馆大学的Young Hee Le，东国大学的Ki Kang Kim以及KIST研究院的Soo Min Kim（共同通讯）联合在Science上发表文章，题为“Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride film via self-collimated grain formation”。作者报道了一种通过化学气相沉积合成晶片级单晶hBN (SC-hBN)单层膜的方法。硼(B)和氮(N)原子在液态金中的有限溶解度促进了高温下原子在液体表面的高度扩散，从而产生圆形hBN颗粒。这些晶粒通过晶粒间静电相互作用所形成的B和N边的自准直进一步演化为紧密排列的密堆积晶粒，最终在晶圆尺度上形成SC-hBN薄膜。这种SC-HBn膜还能够合成晶片级石墨烯/ hBN质结构和单晶二硫化钨。

【图文导读】

图1. 单晶hBN膜的合成

图2. SC-hBN 膜的原子结构

图3. SC-Gr/hBN 异质结和单晶WS₂膜的垂直生长

图4. 晶片级SC-hBN film膜的防铜氧化和水蒸气阻隔保护层应用

【总结】

总之，作者采用能够自调节的圆形hBN晶粒之间的自准直的方法合成了无晶界的SC-hBN膜。关键步骤是圆形hBN颗粒在液态Au衬底上发生旋转，由每个颗粒周围的B原子和N原子之间的吸引静电相互作用调节，最终导致hBN膜在晶片上的单晶生长。SC-hBN膜是石墨烯/hBN异质结构和WS₂膜在晶片规模上单晶生长的有前景的衬底。作者合成SC-hBN薄膜的策略为其他2D材料及其异质结构在晶片上的单晶生长开辟了新的道路。

文献链接：Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride film via self-collimated grain formation, (Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aau2132)