人造氮化硼晶体：倾斜台阶面外延生长铁电菱方氮化硼单晶
在二维电介质家族中，菱面体氮化硼（rBN）不仅具有六方氮化硼的优异性能，包括低介电常数和耗散、强电绝缘性、良好的化学稳定性，因此具有相当大的应用前景、高热导率和原子平坦度，无悬空键，而且还具有有用的光学非线性和界面铁电性，这些特性源自面内和面外中心对称性的破坏。 然而，因为需要前所未有的生长控制来协调每层的晶格取向和每个界面的滑动矢量，大尺寸单晶rBN层的制备仍然是一个挑战。
鉴于此，中国科学院物理研究所白雪冬研究员、北京大学刘开辉教授、西湖大学郑小睿研究员、深圳先进技术研究院丁峰教授和中国科学院物理研究所王理副研究员（一作兼共同通讯作者）报告了一种简单的方法，使用斜边外延来制备厘米大小的单晶rBN层，并在邻位镍表面上具有精确的层间ABC堆叠。他们在斜面（110）处成功地精确制造了平台面（100）的阶梯边缘的单晶镍基板，同时引导了每个BN层中一致的硼氮键方向和菱面体堆叠。BN通过每个斜面附近的成核形成层。所生长的BN层的纯菱面体相得到了验证，因此表现出鲁棒、均匀、可切换的铁电性和高居里温度。该工作为单晶二维层的精确堆叠控制生长提供了有效途径，并为基于堆叠二维材料的适用多功能器件奠定了基础。相关研究成果以题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”发表在最新一期《Nature》上。中国科学院物理研究所王理副研究员、北京大学博士生戚嘉杰、华南师范大学魏文娅博士和西湖大学博士生吴梦奇为共同第一作者。
值得一提的是，2009年，王理副研究员本科毕业于武汉理工大学，2016年，博士毕业于武汉大学，2016年，王理博士于加入中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室SF01组开始博士后研究，开展二维材料相关研究工作至今，他在2019年就以第一作者身份发表了《Nature》：构筑“二维世界” - 晶圆级（100平方厘米）六方氮化硼单晶单层膜的制备。他至今已在在Nature，Nature Chemistry，Nanoscale等高水平杂志发表学术论文数篇。
【策略设计】
原则上，rBN层的生长有两个先决条件：（1）打破层间B和N原子在每个界面上的能量优先耦合，实现每层中B-N键的单向；(2)沿着每层的扶手椅方向以B-N键长一半的恒定整数倍引导精确的晶格滑动，以确保纯rBN相的层间ABC堆叠（图1a）。该团队设想了一种采用斜边外延来引导每个rBN层的晶格方向和滑动矢量的方法（图1）。该方法利用独特的平台（100）和斜面（110）组合来确保各层的ABC堆叠一致。通过使用具有簇状阶梯边缘的镍基板，研究人员控制了每个rBN层的成核，从而实现了单向对准和一致的堆叠。具体来说（图1f），第一个“衬底退火”阶段是为了制备大尺寸Ni(hk0)箔单晶衬底。第二个“表面重建”阶段是在准备好的基板上形成带有平台 Ni(100) 和斜面 Ni(110) 的平行簇状台阶。第三个“rBN域成核”阶段是为了形成具有一致ABC堆叠的单向排列的rBN域（此外，在此阶段rBN层覆盖下的Ni原子的扩散将大大提高，这可以进一步增强 束台阶的高度并扩大斜面的面积）。这里添加了第四个特殊阶段，称为“去除成束的步骤”，通过将温度提高到接近镍的熔点来实现平坦的基底，从而促进 rBN 域的无缝拼接。“均匀 rBN 多层薄膜的生长”的最后阶段是通过长期生长和随后的蚀刻（以消除 rBN 域顶部尚未缝合成完整薄膜的多余层）来实现的。
图 1. 斜边引导单晶 rBN 层生长的设计
【制备与表征】
综合表征（图2）证实了对这些斜面阶梯边缘的精确控制导致了 rBN 域的形成，rBN层得到了精确控制。AFM显示了簇状台阶的形貌细节，扫描电子显微镜(SEM)显示了与簇状台阶对齐的三角形区域。偏振相关的二次谐波产生(SHG)表明相干堆积，而HAADF-STEM提供的原子分辨率图像证实了rBN相的ABC堆积。
图 2. rBN 层的生长和表征
发现这些rBN结构域在大面积上单向排列（图3a）。为了促进这些rBN域的生长和缝合，采用了一种特殊的阶段，称为“去除聚簇台阶”，并在接近Ni熔点的温度下进行退火，将基底的形态从聚簇台阶熔化为平坦的表面，在其上可以实现这些rBN域的逐层生长和缝合模式（图3b）。还收集了两个单向排列的rBN多层和双层域的接合区域的凹角周围的原子分辨STEM图像，并且完全相同的晶格验证了无晶界的无缝拼接行为（图3c，d）。实验上，在典型厚度为6 nm的4 × 4 cm 2单晶rBN薄膜中（图3e-g），通过在9个代表性区域收集的SHG图来确定大范围内的均匀性（图3h）。
图 3. 将 rBN 域无缝拼接成均匀的单晶多层薄膜
【rBN 层的滑动铁电性】
本文的rBN层表现出独特的功能，主要是由于其精确的层间ABC堆叠和面外方向的非中心对称性（图4）。（1）界面滑动铁电性：rBN层表现出一种独特的现象，称为滑动铁电性。这是由于面外方向缺乏对称性，导致自发极化和电荷位移。通过压电响应力显微镜(PFM)证明了铁电性，其显示出一致的磁滞回线和蝶形回线，表明具有强大的铁电性。这些层不表现出奇偶层效应，这意味着层之间的铁电极性没有反转，从而增强了其铁电应用的可靠性。（2）累积极化：由于层的堆叠排列，rBN薄膜中存在累积极化。这一特性通过开尔文探针力显微镜（KPFM）得到了证明，它显示出每增加一层表面电势就会线性增加。该特性对于需要可调节偏振态的应用非常重要。（3）高温稳定性：即使在高温下，rBN层的铁电性能也保持稳定。测试表明，该材料在450K以上的温度下仍保持其铁电性。这种高居里温度表明rBN可以在高温环境下发挥作用。（4）界面工程：rBN层的一致堆叠提供了稳定的层间耦合，可以针对特定的电子特性进行精确设计。这种独特的堆叠还允许可控的层间滑动，可在先进的设备工程中加以利用。
图 4. rBN 层中的界面滑动铁电性
【总结】
本文报告了一种简单的二维层斜边外延方法，可以有效控制每层的晶格方向和每个界面的滑动矢量。在由平台Ni(100)和斜面Ni(110)组成的平行台阶聚束形貌的衬底上，生长了4×4 cm2的单晶rBN薄膜，厚度均匀在2.2-12 nm范围内。然后，在生长的rBN层中展示了具有高居里温度的鲁棒、均匀和可切换的铁电性，这为实现基于多功能二维介电材料的先进器件带来了巨大的希望。
来源：高分子科学前沿
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