六方氮化硼合成新機制研究取得進展

2020-10-13 中科院之聲

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所副研究員吳天如研究團隊和華東師範大學教授袁清紅研究團隊，基於原位合成、表徵研究與第一性原理計算方法，提出鐵硼（Fe2B）合金表面高質量多層六方氮化硼（h-BN）原子空位輔助生長新機制。相關研究成果以Vacancy-Assisted Growth Mechanism of Multilayer Hexagonal Boron Nitride on a Fe2B Substrate為題，在線發表在《物理化學快報》上。

h-BN以原子級平整表面、無懸掛鍵、高導熱性和良好的理化穩定性等優勢，成為具有潛力的二維晶體器件的介質襯底和封裝材料。近年來，上海微系統所聚焦於二維晶體理論研究、器件工藝、規模化應用面臨的難題，在單層h-BN單晶生長、異質結構築及高質量多層h-BN製備等領域開展研究（Nature Communications, 2015, 6, 6160；Advanced Science, 2017, 4, 1700076；Nature Communications,2020, 11, 849）。由於h-BN先進合成技術發展較慢，缺乏對傳統方法生長機制的研究，限制了大尺寸、高質量h-BN可控合成與實際應用。

吳天如研究團隊基於Fe2B合金體系實現高質量h-BN可控制備，通過快速冷卻淬火技術結合飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS），分析h-BN合成過程中Fe2B淺表層B原子和N原子分布規律。袁清紅研究團隊採用第一性原理計算方法，研究Fe2B表面h-BN的生長機制，提出Fe2B表面h-BN的空位輔助合成機制。研究發現，B-N二聚體產生使合金表面形成大量B空位，對B、N原子的遷移起到較大的促進作用。Fe2B基底中B和N原子的擴散僅需克服小於1.5 eV的能壘，使得N原子在催化表面附近大量溶解。此外，通過對不同尺寸B-N團簇的形成能和吉布斯自由能的計算和擬合，研究發現Fe2B表面h-BN成核能壘約2 eV。因此，在相對較低溫度（700 K）下合成h-BN成為可能。該研究提出的「空位輔助」生長新機制，解決傳統方法合成多層h-BN長久以來缺乏高N溶解度和擴散速率的催化劑的難題，為h-BN在二維納米電子學及新興微電子器件領域的應用提供空間。

華東師範大學與上海微系統所聯合培養碩士姜忍、上海微系統所博士時志遠和華東師範大學碩士趙威為論文共同第一作者，吳天如與袁清紅為論文共同通訊作者。研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院青年創新促進會、上海超級計算中心、上海市青年科技啟明星計劃、上海市青年科技英才揚帆計劃以及上海市科學技術委員會的資助。

圖1.Fe2B合金表面多層h-BN合成機制示意圖及近表面N原子擴散能量曲線

圖2.基於飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）的Fe2B合金淺表層B原子和N原子分布規律研究

來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所

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