半導體所在hBN二維原子晶體研究方面取得系列進展

　　伴隨石墨烯研究的興起，其它二維原子晶體也陸續進入人們的研究視野。其中，六方氮化硼（h-BN）逐漸成為該領域的又一亮點。高度相似的晶體結構賦予h-BN與石墨烯一些共同特性，如極高的面內彈性模量、高溫穩定性、原子級平滑的表面。由于兩者晶格失配很小，石墨烯可以均勻緊密地鋪展在h-BN襯底上，特別是，h-BN表面極少有懸掛鍵和電荷陷阱的存在，有利于還原本征石墨烯極高的載流子遷移率。此外，h-BN具有寬禁帶（5.9 eV）、絕緣性好、化學穩定性和導熱性高等優良特性，使其作為石墨烯基電子器件的絕緣襯底和電介質材料甚具吸引力。h-BN二維原子晶體的制備方法與石墨烯類似，機械剝離的h-BN尺寸有限（幾十微米量級），僅限于實驗室研究。目前，大多數研究采用化學氣相沉積法（CVD）制備h-BN二維原子晶體，但CVD生長過程異常復雜，各種生長參數相互關聯。此外，CVD法常用的前驅體存在劇毒、穩定性差、易于水解、副產物多及價格昂貴等問題。因此，急需發展其它規模制備h-BN二維原子晶體的可控生長方法。

　　最近，中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室張興旺課題組，在h-BN二維原子晶體及石墨烯/h-BN異質結制備方面取得了系列進展。博士生王浩林等首次采用離子束濺射沉積方法（IBSD），以氬離子束轟擊高純h-BN靶材，在銅箔襯底上制備了單層及少數層h-BN二維原子晶體。他們發現在濺射過程中通入氫氣可顯著抑制成核密度，并制備出尺寸約5微米的h-BN單晶疇，延長生長時間可以得到高質量的連續薄膜。相比于廣泛使用的CVD方法，IBSD方法可以精確控制離子束的能量及束流密度，且更易于實現h-BN的可控生長。此外，IBSD屬于物理氣相沉積法，制備過程不涉及化學反應，有望在非金屬襯底上直接生長h-BN，為h-BN二維原子晶體的制備提供了新的思路，相關結果發表于Small 11, 1542 (2015)。

　　小尺寸晶疇導致存在大量晶界將嚴重影響h-BN器件的性能，因此大尺寸單晶h-BN的制備對其性質研究及其器件應用均具有重要的意義。目前，大多數CVD方法制備的h-BN單晶疇的尺寸在微米量級。該小組采用IBSD方法，以原位離子束刻蝕對襯底進行處理，并通過生長參數調控襯底表面濺射粒子的濃度，從而大幅降低了h-BN的成核密度，最終在多晶鎳箔襯底上制備出單晶疇尺寸大于100微米的h-BN二維原子晶體。在此基礎上，該小組還制備了h-BN深紫外原型探測器，器件表現出良好的紫外光電響應特性。相關成果近期在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201504042)上在線發表。

　　石墨烯/h-BN異質結構可保持本征石墨烯極高的載流子遷移率，是構建石墨烯電子器件的重要基礎，近年來受到廣泛關注。博士生孟軍華等利用CVD技術在IBSD生長的h-BN/Cu襯底上直接生長石墨烯，制備出石墨烯/h-BN面內及縱向疊層異質結構。通過這種直接沉積的方式制備石墨烯/h-BN異質結構，不僅可以獲得大面積、任意形狀的樣品，使得大面積石墨烯電子學的應用變為可能；而且可以避免轉移過程引入的污染，獲得良好的石墨烯/h-BN界面，改善石墨烯中的載流子輸運性能。相關結果近期發表于Nanoscale 7, 16046 (2015)。

　　該研究為制備高質量h-BN二維原子晶體、石墨烯/h-BN異質結及h-BN光電器件奠定了基礎，將進一步推進二維原子晶體在電子學領域的應用。該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委的資助。