多层单晶二维六方氮化硼薄膜
近年来，对于传统硅基芯片在集成器件的运行速度和性能已接近硅基材料极限，因此探索新型二维材料在集成器件的应用显得尤为关键。六方氮化硼是这些器件中晶体管基板的流行选择，这是因为它的薄膜是透明的，且具有化学稳定性。目前，在绝缘衬底上外延生长制备均匀晶格结构即单晶的二维六方氮化硼，仍然非常具有挑战性。此外，对于它的生长机理也存在很大的争议，制备应用更广泛的多层结构则更为困难，亟需引入新的制备方法和研究机理解决这些关键难题。
基于这些挑战，韩国蔚山国立科技研究院Hyeon Suk Shin、丁峰、Rodney Ruoff和剑桥大学Manish Chhowalla团队合作，利用化学气相沉积技术，在理论分析指导下，实现了二维材料六方氮化硼在衬底上的单晶外延生长，制备了最高可达到五层的单晶六方氮化硼多层薄膜。相关研究成果以“Epitaxial single-crystal hexagonal boron nitride multilayers on Ni (111)”发表在国际顶刊Nature上。
六方氮化硼（hBN）薄膜是用于芯片的核心组件场效应晶体管的优良基板，具有优异的电荷载流子迁移率。单晶hBN单分子层（单原子厚度）先前已有研究合成，但制备应用更广泛的多层结构更为困难。多层hBN薄膜，通常是通过从镍和铁的基材中析出硼和氮溶质来生长的。但是，这些制备的衬底是多晶的，导致外延生长的hBN薄膜也是多晶的。这会降低薄膜的机械和化学稳定性，限制其在电子产品中的应用规模。据研究报道，在此之前，尚未实现大面积均匀单晶多层hBN 的生长。
反应温度
选择合适的反应温度是形成单晶结构的关键。该研究发现，当薄膜在 1,020 °C 下生长时，会产生多晶结构。然而，在 1,120 至 1,220 °C 的较高温度下，这种制备方法产生了由三层完全相同晶体取向的hBN组成的晶粒。而当单独的晶粒合并时，使得单晶多层膜持续生长。在初始生长阶段，三层hBN晶粒岛在镍表面的阶跃边缘成核，确保了它们的晶格取向一致。随着时间的推移，这些岛会变大并最终合并，但不会形成晶界。
图一、在1020°C (a)， 1120°C (b)， 1170°C (C)， 1220°C (d)， 1270°C (e)和1320°C (f)下，hBN在Ni(111)上生长30分钟的SEM图像。
单晶hBN多层膜的生长
研究发现，通过改变生长条件，可以将hBN 薄膜的厚度扩展到三层以外的范围内，主要原因是，该厚度是由表面介导生长决定，而非沉积机制。hBN结合能随厚度的增大而减小，根据这一点调整反应条件，成功制备了大面积双层和五层单晶 hBN 薄膜。
尽管此研究表明可以制造包含五层hBN的薄膜，但无法合成包含四层或六层的样品。在一到三层内，样品与镍基板的结合能随层数的增加而降低，但对于包含四层或更多层的样品，结合能不会随层数的变化发生明显改变，因此难以控制三层以上的样品厚度。
图二、单晶hBN生长机制及多层hBN结合能。
应用可行性
三层单晶hBN薄膜应用于二硫化钼（MoS2）场效应晶体管中（FET）栅极电介质，测试其用作晶体管的衬底的绝缘屏障可行性。研究显示，这一底栅介质中，阈值电压转移到正栅极电压，表明单晶三层 hBN 减少了电荷俘获并阻碍了来自 SiO2衬底的电子掺杂。此外，由于三层 hBN 的散射较少，观察到二硫化钼场效应晶体管中的电荷载流子迁移率有所增加。
图三、 SiO2和hBN/SiO2上典型MoS2场效应晶体管漏极电流随栅极电压的变化曲线。
通讯作者简介：
Hyeon Suk Shin：韩国蔚山国立科技研究院教授。于浦项工业大学获得硕士和博士学位。2008年进入韩国蔚山国家科学技术研究所，先后担任助理教授、副教授及教授。主要的研究方向是二维材料，包括石墨烯、h-BN、过渡金属二卤族化合物及其异质结构，以及它们在电催化剂和电子器件中的应用。在Nature, Science, Nat. Chem., Nat. Energy., Small等学术刊物上发表超过140篇论文，h-index 59。
丁峰：韩国蔚山国立科技研究院杰出教授，韩国基础科学院多维碳材料研究中心理论组组长。分别于华中科技大学，复旦大学和南京大学获得本科，硕士和博士学位。2017年受聘于韩国蔚山国家科学技术研究所，担任杰出教授，IBS-CMCM担任组长。主要的研究方向是各种碳材料和二维材料的在计算方法开发，理论探索，特别是其形成机制，成核，生长和蚀刻的动力学研究。在Nature, Science, Nat. Mat., Nat. Nano., PNAS等学术刊物上发表超过270篇论文，h-index 73。
Manish Chhowalla：剑桥大学金史密斯学院的材料科学教授。博士毕业于剑桥大学电气工程系和丘吉尔学院，曾担任美国新泽西州罗格斯大学特聘教授。主要研究方向为薄二维过渡金属双卤化合物(TMDs)的基础研究，特别是二维TMDs不同相位的光学和电子性质。材料研究学会、物理学会和皇家化学学会成员，Applied Materials Today的创始主编，现为ACS Nano的副主编。在Nature, Science, Nat. Mat., Nat. Chem.等学术刊物上发表超过340篇论文，h-index 106。
Rodney Ruoff: 韩国蔚山国立科技研究院化学和材料科学与工程学院特聘教授，多维碳材料研究中心主任，Nano Materials Science顾问。2007年9月起至UNIST之前，任美国德克萨斯大学奥斯汀工程学院杰出首席讲座教授。2000年1月至2007年8月，任美国西北大学纳米工程John Evans讲座教授和生物纳米工程材料研究所主任。Ruoff教授1988年获得美国伊利诺伊大学香槟分校化学物理博士学位，1988-1989年在德国哥廷根马克斯-普朗克流体动力学研究所做富布莱特访问学者。在化学、物理、材料科学、机械工程及生物医药工程等领域发表研究论文580多篇，h-index 168。
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来源：高分子科学前沿
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