科學家在疊層低維單晶材料制造方面取得重要進展

記者從華南師范大學獲悉，我國科學家在疊層低維單晶材料制造方面取得重要進展，實現鎳襯底上菱方相氮化硼疊層單晶的可控生長。相關研究5月2日發表于《自然》。

六方氮化硼是極具潛力的下一代低維介電絕緣材料。菱方（ABC）堆垛疊層在保有六方氮化硼優異物理化學性質的同時，具有本征的滑移鐵電性和非線性光學性質。大尺寸ABC堆垛疊層單晶的可控制備，是基礎研究和實現其廣泛應用的前提。然而，金屬襯底快速生長的首層氮化硼薄膜對襯底催化產生屏蔽效應，阻礙后續層數的持續生長。

此外，多種（例如：ABC，AA'A和ABA）堆垛疊層六方氮化硼都具有較好的穩定性，導致同一樣品多種堆垛混雜。因此，制備ABC堆垛疊層單晶必須基于更強的表界面相互作用，同時，必須對外延襯底表面進行設計以與ABC堆垛原子構型相匹配，以生長均一堆垛。

斜面臺階外延生長多層菱方氮化硼單晶的原理和制備流程。魏文婭 供圖

研究人員提出基于襯底的面內、外協同調控機制，在單晶金屬Ni襯底表面設計并制備具有斜面的高臺階，以有效調控疊層單晶的生長。他們利用Ni（520）襯底表面降溫聚合形成斜面高臺階，該類高臺階能在生長過程中協同調控并鎖定ABC堆垛疊層六方氮化硼的面內晶格取向和面外滑移矢量，誘導ABC堆垛晶疇形核長大。基于該理論，成功在Ni（520）面制備具有精準ABC原子層堆垛的菱方氮化硼疊層單晶。理論計算同時證明非中心對稱ABC堆垛會導致其層間電極化矢量在面外方向積累，展現出鐵電性。

此外，疊層堆垛具有較小的層間滑移和極化翻轉勢壘，鐵電疇的理論寬度約僅為10納米，預示其作為高密度信息存儲介質的潛力。實驗透射電鏡原位觀測結果進一步確認了ABC堆垛疊層的極化翻轉源自層間滑移，同時基于壓電響應力的掃描探針測量發現ABC堆垛疊層具有高居里溫度，還實現對其鐵電疇區的寫入和擦除操作。

上述研究由華南師范大學物理學院教授徐小志團隊特聘研究員魏文婭與中國科學院物理研究所研究員白雪冬團隊、北京大學教授劉開輝團隊、西湖大學研究員鄭小睿團隊、中國科學院深圳先進技術研究院教授丁峰團隊合作完成。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07286-3