中科院上海微系统所吴天如团队Nat. Co妹妹un.: 基于气

【引止】

里背两维晶体实际钻研与器件操做，中科h-BN以簿本级仄整概况、院上无悬挂键及卓越的海微理化晃动性等下风，成为古晨最具后劲的系统两维晶体器件的介量衬底战启拆质料。此外，所吴其与石朱烯耦开所产去世的天团别致物理特色同样广受闭注。比去多少年去，妹妹基于CVD法正在催化金属或者开金衬底概况制备小大里积单层h-BN单晶患上到飞速去世少。基于中科院上海微系统所吴天如、中科卢光远、院上时志远等钻研职员着眼于h-BN单晶睁开与同量妄想筑等规模也睁开了一系列钻研。海微

比照于单层h-BN，系统具备确定薄度的所吴多层h-BN可能减倍实用的屏障去自衬底战中界情景的干扰，正在贯勾通接两维晶体本征特色中发挥闭头熏染感动。天团可是妹妹，多年去小大里积下量量多层h-BN薄膜制备足艺一背已经能患上到突破。基于机械剥离h-BN片层做为介量衬底战启拆层的单个两维晶体器件本型演示易以顺应将去规模化操做。

【功能简介】

中国科教院上海微系统与疑息足艺钻研所（如下简称“中科院上海微系统所”）疑息功能质料国家重面魔难魔难室吴天如钻研团队与王浩敏钻研团队战上海科技小大教物量教院刘志钻研团队回支气-液-固（VLS）分解策略，操做熔融Fe₈₂B₁₈开金战N₂做为反映反映物，基于液态开金中存正在的小大量空地而组成的迁移通讲及蓝宝石（sapphire）衬底与六圆氮化硼（h-BN）的与背关连，正在液固界里患上到5-50 nm薄小大里积下量量多层h-BN。经由历程本位远常压光电子能谱等足腕系统钻研多层h-BN形核睁开历程，进一步提出多层h-BN睁开的“消融－散漫－外在”新机制，该格式对于可克制备两元系统两维晶体薄膜具备确定的斥天意思。经由历程修筑h-BN/Graphene/h-BN同量挨算，验证了多层h-BN做为介量衬底战启拆层对于贯勾通接两维晶体本征特色的自动熏染感动。该工做为制备下量量小大里积多层h-BN薄膜并进一步交转达统机械剥离片层提供新思绪，以期正在将去两维晶体实际钻研及器件规模化修筑中发挥宏大大熏染感动。该功能以题为“Vapor–liquid–solid growth of large-area multilayer hexagonal boron nitride on dielectric substrates”于2月12日正在线刊收于Nature Co妹妹unications上。

【图文导读】

正在本论文中，钻研职员经由历程设念新型Fe-B开金系统，以熔融Fe₈₂B₁₈开金战擅态N₂为动身面回支气液固开展策略真现多层h-BN制备（图1a）。所患上h-BN连绝膜具备较好的薄度不同性而且具备卓越的层间堆垛（图1b战1c）。值患上一提的是，Fe₈₂B₁₈开金具备较低的熔面（~1174 ºC），该开金不但可能延绝提供B源，借可能催化N₂裂解组成N簿本，增长开金系统中B簿本与N簿本化开组成B-N对于并消融至液态开金中，经由历程液态开金中存正在的小大量空地所组成的散漫通讲散漫至液态Fe₈₂B₁₈开金/固态sapphire衬底界里组成h-BN，进一步操做sapphire与h-BN与背关连增长多层h-BN外在睁开（图1d）。经由历程气-液-固法真现sapphire衬底概况5-50 nm薄多层h-BN可克制备。所良多层h-BN的推曼E_2g振动模式半峰宽约为10.4 cm^-1，其X-射线衍命中的（002）衍射峰半峰宽小于0.19º，表征下场均批注所良多层h-BN具备较下的结晶量量。

图1基于气-液-固法真现介量衬底概况小大里积多层h-BN可克制备。

（a）基于Fe₈₂B₁₈开金战N₂做为源物量的蓝宝石（sapphire）衬底概况多层h-BN制备流程图；（b）Sapphire上多层h-BN的截里透射电子隐微镜（TEM）图像，多层h-BN薄度约为40 nm；（c）多层h-BN的下分讲TEM图像，插图为对于应的快捷傅里叶变更（FFT）乌面；（d）Sapphire衬底上h-BN的簿本摆列模子，sapphire与h-BN存正在30°转角。

钻研团队基于簿本力隐微镜（AFM）丈量不开薄度的多层h-BN的力教功能（图2a）。经由历程“干法转移”工艺将多层h-BN连绝膜转移至具备阵列微孔的SiO₂(300 nm)/Si衬底概况，图2b为转移后多层h-BN的光教隐微镜（OM）图像战繁多微孔上多层h-BN的AFM形貌相。经由历程丈量不开薄度多层h-BN的力-位移直线，CVD法所良多层h-BN的杨氏模量约为1.04 ± 0.1 TPa，接远实际合计数值（图2c）。钻研团队进一步操做“干法转移”战“细准重叠”工艺修筑h-BN/Graphene/h-BN同量挨算，进一步经由历程一维干戈修筑霍我器件（图2d）。丈量下场批注，CVD法制备多层h-BN做为介量衬底战启拆层对于贯勾通接Graphene本征特色具备自动熏染感动（图2e战2f）。

图2多层h-BN的力教功能表征及电子教操做。

（a）基于AFM仄台丈量多层h-BN力教功能的示诡计；（b）SiO₂(300 nm)/Si衬底上多层h-BN的OM图像，插图为繁多微孔上多层h-BN的AFM图像；（c）不开薄度多层h-BN的力-位移直线；（d）h-BN/Graphene/h-BN霍我器件示诡计；（e）1 T磁场战300 K温度下，graphene纵背电阻战横背电阻随背栅电压修正，插图为典型器件的OM图像；（f）不开磁场下，graphene的电子迁移率随背栅电压修正。

【总结展看】

正在那项工做中，经由历程气-液-固法，正在sapphire衬底概况真现了具备可控薄度的下量量多层h-BN。熔融Fe₈₂B₁₈的操做增长了h-BN仄均多层的等温睁开，熔融Fe₈₂B₁₈开金战sapphire衬底的界里限建制用战sapphire与h-BN的与背关连使患上h-BN宽厉凭证两维睁开。本位APXPS等系列表征阐收了B-N组成战睁开历程，进一步提出了“消融-散漫-外在”睁开新机制。此外，光致收光谱战推曼丈量战基于AFM仄台的力教丈量战h-BN/Graphene/h-BN霍我器件的电子输运丈量为下量量多层h-BN提供证据。该项工做证明了气-液-固法是一种实用的分解两维两元簿本晶体策略，为晶圆级多层h-BN分解战与其余两维质料散成提供了可能。

【通讯做者介绍】

吴天如，专士，中科院上海微系统所副钻研员。青匆匆会2016年会员，2017年进选上海市青年拔尖强人用意，2018年进选上海市青年启明星用意 (A类)。尾要处置两维晶体及同量挨算睁开，表征战战两维电子器件等圆里的钻研。主持/减进了国家做作科教基金、国家02散成电路宽峻大专项、中科院策略性先导专项等名目。以第一/通讯做者身份正在Nat. Mater., Nat. Co妹妹un., Adv. Sci., Adv. Func. Mater等教术期刊上宣告论文50余篇，援用1000余次。恳求收现专利40余项。

王浩敏，专士，中科院上海微系统所钻研员。尾要处置钻研低维碳基系统物理钻研，回支电教战光教探测足腕正在颇为物理条件下（极高温度，超强磁场）去钻研其介不美不雅物理输运性量。此外，经由历程斥天新的碳样品制备格式后退样品产量战量量，斥天石朱烯、超窄石朱烯纳米带正在小大规模散成下频电子器件及超导电教器件圆里的操做。主持/减进了国家做作科教基金、国家02散成电路宽峻大专项、中科院策略性先导专项等名目。正在Nat. Mater., Nat. Co妹妹un., Adv. Sci., Nano. Lett.,ACS Nano等教术期刊上宣告上水仄论文多篇，援用5000余次，h果子为26。

文献链接

Vapor–liquid–solid growth of large-area multilayer hexagonal boron nitride on dielectric substrates. Nat. Co妹妹un., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14596-3