【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領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用的潛力。目前，國內(nèi)外二維量子材料研究團隊使用的高質(zhì)量純凈hBN單晶主要來自日本國立材料研究所(NIMS)的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授團隊，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，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)體價格相對較高，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。
 

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的程金光研究員團隊和東南大學(xué)的萬能副研究員團隊等組成的聯(lián)合研究團隊，利用物理所先進的大腔體多砧高壓高溫合成設(shè)備，經(jīng)過大量實驗摸索，近期在高質(zhì)量hBN單晶制備方面取得重要進展。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，表明該團隊制備的hBN單晶質(zhì)量已達到與NIMS團隊相當(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，填補了我國在高壓高溫條件下合成高質(zhì)量hBN單晶的空白，為進一步實現(xiàn)大規(guī)模hBN單晶制備和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時也有助于保障我國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)張玲瓏團隊，上海大學(xué)邢娟娟團隊等共同參與本工作，日本國立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授提供了Ba-BN溶劑制備的高質(zhì)量hBN單晶進行對比。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和江蘇省研究生科研實踐創(chuàng)新計劃等項目支持。
 

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。