【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高質(zhì)量六方氮化硼(hBN)單晶因具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，包括原子級(jí)平坦表面、寬帶隙(~ 5.9 eV)、高絕緣、高面內(nèi)熱導(dǎo)率以及化學(xué)惰性等，被作為襯底和封裝材料廣泛應(yīng)用于二維量子材料體系的構(gòu)筑，是低維材料和物理領(lǐng)域研究新奇物理效應(yīng)和研制高性能電子器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。此外，hBN在中子探測(cè)器、高效率紫外光源、超低損耗等離激元載體、高效單光子光源、滑移鐵電材料和憶阻器等多個(gè)領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用的潛力。目前，國(guó)內(nèi)外二維量子材料研究團(tuán)隊(duì)使用的高質(zhì)量純凈hBN單晶主要來自日本國(guó)立材料研究所(NIMS)的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授團(tuán)隊(duì)，他們采用Ba-BN溶劑體系在高溫高壓條件下制備高質(zhì)量的hBN單晶。然而，由于Ba基系統(tǒng)吸水性強(qiáng)，暴露在空氣中容易發(fā)生快速氧化，且所用的氮化鋇(Ba2N3)前驅(qū)體價(jià)格相對(duì)較高，因此開發(fā)新的性質(zhì)穩(wěn)定且成本較低的溶劑體系來制備高質(zhì)量hBN單晶具有重要意義。
 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的程金光研究員團(tuán)隊(duì)和東南大學(xué)的萬能副研究員團(tuán)隊(duì)等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用物理所先進(jìn)的大腔體多砧高壓高溫合成設(shè)備，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)摸索，近期在高質(zhì)量hBN單晶制備方面取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)了一種新型的低成本Sr基溶劑Sr3B2N4(其成本約為Ba基溶劑的1/20)，在4.5GPa和1500℃的高壓高溫條件下成功制備出了hBN單晶，并系統(tǒng)研究了前驅(qū)體中的氧含量對(duì)高質(zhì)量hBN單晶產(chǎn)率的影響。通過X射線衍射、拉曼光譜、陰極發(fā)光和X射線光電子能譜等一系列的表征，表明該團(tuán)隊(duì)制備的hBN單晶質(zhì)量已達(dá)到與NIMS團(tuán)隊(duì)相當(dāng)?shù)乃健?br /> 

　　該研究探索出一種低成本制備高質(zhì)量hBN單晶的新工藝，填補(bǔ)了我國(guó)在高壓高溫條件下合成高質(zhì)量hBN單晶的空白，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模hBN單晶制備和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)也有助于保障我國(guó)二維量子材料研究中關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的自主可控。
 

　　相關(guān)成果以“High-Pressure High-Temperature Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Single Crystals from a Sr3B2N4 Solvent”為題近期發(fā)表在Crystal Growth & Design上。東南大學(xué)博士研究生田明、物理所博士后王寧寧為論文共同第一作者，東南大學(xué)萬能副研究員、物理所程金光研究員為論文共同通訊作者。本工作是在復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授的建議下而開展的。此外，南京航空航天大學(xué)張玲瓏團(tuán)隊(duì)，上海大學(xué)邢娟娟團(tuán)隊(duì)等共同參與本工作，日本國(guó)立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授提供了Ba-BN溶劑制備的高質(zhì)量hBN單晶進(jìn)行對(duì)比。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省研究生科研實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
 

圖 高溫高壓下利用Sr基溶劑體系合成的hBN單晶及其XRD和陰極發(fā)光表征結(jié)果。