常見的六方相氮化硼（hBN）因化學穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好以及表面無懸掛鍵原子級平整等特點，被視為理想的寬帶隙二維介質(zhì)材料。菱方相氮化硼（rBN）可以保持hBN較多優(yōu)異性質(zhì)，并具有非中心對稱的ABC堆垛結(jié)構(gòu)，因而具備本征的滑移鐵電性和非線性光學性質(zhì)。rBN是極具應(yīng)用潛力的功能材料，可以為變革性技術(shù)應(yīng)用如存算一體器件和深紫外光源等提供新材料和解決方案。然而，相較于常見的hBN晶體，rBN晶體屬于亞穩(wěn)相，因而制備多層rBN單晶充滿挑戰(zhàn)。制備困難在于快速生長的首層hBN薄膜對襯底催化產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，阻礙后續(xù)層數(shù)的持續(xù)生長，同時，界面間B和N原子的范德華作用導(dǎo)致具有AA’A堆垛的hBN晶體在成核過程中具有能量優(yōu)勢。因此，人工制造大尺寸rBN晶體是尚未解決的難題。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員白雪冬團隊與北京大學的科研人員等合作，在氮化硼單晶制備方面取得進展。2019年，該團隊開發(fā)了利用表面對稱性破缺襯底外延非中心對稱型二維單晶的方法，實現(xiàn)了大面積單層hBN單晶薄膜制備。近日，該團隊進一步提出基于表面對稱性破缺襯底面內(nèi)、面外協(xié)同調(diào)控的創(chuàng)新機制，即通過在單晶金屬鎳表面構(gòu)建由（100）晶面和（110）晶面組成斜面高臺階，在化學氣相沉積的形核階段匹配并逐層鎖定rBN晶格的面內(nèi)晶格取向和面外滑移矢量，進而在大面積范圍內(nèi)誘導(dǎo)形成同向rBN晶疇。掃描透射電子顯微鏡觀測表明，取向一致的rBN晶疇通過逐層無縫拼接，形成具有精準ABC原子堆垛的晶體結(jié)構(gòu)，制備出rBN單晶，面積可達4×4平方厘米。

該研究通過理論計算發(fā)現(xiàn)，rBN非中心對稱堆垛會導(dǎo)致其層間電極化矢量在面外方向積累，展現(xiàn)鐵電性。研究利用壓電力掃描探針，測量驗證了rBN具有高居里溫度鐵電性，并實現(xiàn)了鐵電疇區(qū)反復(fù)的擦、寫操作。透射電鏡原位觀測結(jié)果進一步確認了rBN的極化翻轉(zhuǎn)源自層間滑移。

該工作提出了傾斜臺階面制備多層菱方氮化硼單晶的新方法，創(chuàng)新了表面外延生長模式，通過精準排列三維空間原子，人工制造新型晶體，并將以往的氮化硼絕緣介質(zhì)賦予鐵電存儲功能，為制造存算一體器件提供了新的材料策略。

5月1日，相關(guān)研究成果以Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上，并申請國際PCT專利和中國發(fā)明專利。該工作由物理所、北京大學、西湖大學、中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合作完成。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術(shù)部、中國科學院和廣東省的支持。

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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