厘米尺寸单晶二维六方氮化硼的共取向外延生长及其机理研究

Hexagonal boron nitride (h-BN) is an insulator of an ultra-large band-gap and atomically smooth inert surface, serving as an ideal substrate for 2D-material devices. Besides, attributed to its layered structure, it can also be used as ultra-thin dielectric layer to construct novel devices based on Van der Waals heterostructures. Defects, including grain boundaries, in polycrystalline h-BN film introduce a large amount of localized states, which significantly reduce the performance of h-BN in electrical devices. However, it is still a challenge to grow h-BN single crystal of large area and high quality. Based on our technology on epitaxial growth of 2D h-BN film, this project will focus on: i) developing co-aligned Van der Waals epitaxy method to grow centimeter-scale single crystal 2D h-BN; ii) investigating the merging behaviour of adjacent grains; iii) revealing the growth mechanism in combination with multi-scale simulations. The aim of this project is to grow centimeter-scale h-BN single crystal and provide technical basis for growing wafer-scale h-BN single crystal and constructing large scale devices based on 2D materials of attractive performances.

六方氮化硼是具有原子级平整惰性表面的宽禁带绝缘体，为二维材料电子器件提供了理想的基底材料，其层状结构使其还可被用作超薄介电层来构筑新型范德华异质器件。多晶六方氮化硼中的晶界等缺陷会引入大量的局域态，显著降低了其器件应用性能，但大面积、高质量六方氮化硼单晶的可控制备仍面临很大挑战。本项目申请人在掌握外延生长二维六方氮化硼的基础上，将发展共取向范德华外延生长方法以制备厘米级单晶六方氮化硼，研究相邻晶粒融合行为，并结合多尺度理论计算揭示其生长机理。旨在生长厘米尺寸六方氮化硼单晶为最终实现晶圆级单晶六方氮化硼，构筑大规模、高性能二维材料电子器件提供坚实的技术基础。

二维六方晶格原子晶体材料具有的平面层状结构和优异的物理力学性质使得其成为近些年的研究热点。通过范德华作用组装的二维异质结构在物理学和电子学等领域具有诸多应用。然而，直接用化学气相沉积方法可控地生长石墨烯和六方氮化硼的平面内异质结仍然是一个很大的挑战。本项目发现一步法化学气相沉积法直接图形化制备石墨烯和六方氮化硼的平面内异质结的方法。由于异质界面的复杂性，以往关于低维材料界面范德华力研究主要集中在同质材料层间相互作用，这里通过直接测量和异质界面间粘附竞争两种实验策略研究了不同范德华异质界面上的范德华作用强度差异并给出理论解释。水以各种形式包含巨大的能量，但这种能量很少被利用。本项目系统介绍了纳米碳材料水中捕能方面的国内外研究进展，提出了“水伏效应”的概念。最后本项目还采用了热丝化学气相沉积方法生长了氮掺杂和硼掺杂的石墨烯，并研究了氮和硼掺杂石墨烯的雨滴式及波动式水伏器件发电性能，发现掺杂石墨烯的水伏性能有显著的提升，并解释了其水伏性能提升的内在机制。