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北京大學：單晶單層六方氮化硼的制備取得重要進展

近年來，隨著芯片尺寸的不斷減小，短溝道效應、熱效應等日趨明顯，開發全新的二維量子材料體系以實現變革性的器件應用已成為當前科技的研究熱點。規模化高端器件應用必須基于大面積、高品質的單晶材料，因此二維單晶材料的制備研究具有重要的科學意義和技術價值。作為唯一無懸鍵的二維半導體，六方氮化硼的大面積單晶制備一直是該領域難以突破的瓶頸。主要問題是外延生長過程中產生的孿晶晶界：即晶疇在常規單晶襯底上存在兩個夾角為180°的優勢取向時，而反向晶疇在拼接時會形成缺陷晶界。該問題在絕大多數二維材料單晶制備中普遍存在，因此六方氮化硼單晶材料的制備研究具有非常重要的科學意義和技術價值。
近日，北京大學王恩哥院士、俞大鵬院士、劉開輝研究員與合作者在中心反演對稱性破缺的單晶銅襯底上實現了分米級二維單晶六方氮化硼的外延制備，同時對生長機制給出詳細的實驗及理論分析。相關成果以“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”為標題發表在《自然》雜志上。
研究團隊經過反復攻關，探索出利用對稱性破缺的襯底外延非中心反演對稱二維單晶薄膜的新方法。該方法通過專利保護的退火工藝將工業多晶銅箔轉化為僅有C1對稱性的銅(110)小角度傾斜晶面，利用該晶面上獨特的Cu臺階和六方氮化硼晶疇的硼型、氮型鋸齒形邊界耦合強度差打破六方氮化硼生長過程中晶疇取向的簡并度，從而實現取向一致的晶疇生長，并無縫拼接為二維單晶薄膜。該方法可推廣至其它二維材料的大面積單晶制備，有望推動新型二維材料器件規模化應用的技術發展。