【儀表網 研發快訊】高質量六方氮化硼(hBN)單晶因具有優異的物理化學特性，包括原子級平坦表面、寬帶隙(~ 5.9 eV)、高絕緣、高面內熱導率以及化學惰性等，被作為襯底和封裝材料廣泛應用于二維量子材料體系的構筑，是低維材料和物理領域研究新奇物理效應和研制高性能電子器件的關鍵基礎材料。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域也展現出廣泛應用的潛力。目前，國內外二維量子材料研究團隊使用的高質量純凈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量的hBN單晶。然而，由于Ba基系統吸水性強，暴露在空氣中容易發生快速氧化，且所用的氮化鋇(Ba2N3)前驅體價格相對較高，因此開發新的性質穩定且成本較低的溶劑體系來制備高質量hBN單晶具有重要意義。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的程金光研究員團隊和東南大學的萬能副研究員團隊等組成的聯合研究團隊，利用物理所先進的大腔體多砧高壓高溫合成設備，經過大量實驗摸索，近期在高質量hBN單晶制備方面取得重要進展。他們開發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，并系統研究了前驅體中的氧含量對高質量hBN單晶產率的影響。通過X射線衍射、拉曼光譜、陰極發光和X射線光電子能譜等一系列的表征，表明該團隊制備的hBN單晶質量已達到與NIMS團隊相當的水平。
 

　　該研究探索出一種低成本制備高質量hBN單晶的新工藝，填補了我國在高壓高溫條件下合成高質量hBN單晶的空白，為進一步實現大規模hBN單晶制備和應用奠定了基礎。同時也有助于保障我國二維量子材料研究中關鍵基礎材料的自主可控。
 

　　相關成果以“High-Pressure High-Temperature Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Single Crystals from a Sr3B2N4 Solvent”為題近期發表在Crystal Growth & Design上。東南大學博士研究生田明、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。本工作是在復旦大學張遠波教授的建議下而開展的。此外，南京航空航天大學張玲瓏團隊，上海大學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溶劑制備的高質量hBN單晶進行對比。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和江蘇省研究生科研實踐創新計劃等項目支持。
 

圖 高溫高壓下利用Sr基溶劑體系合成的hBN單晶及其XRD和陰極發光表征結果。