科技進展

上海微系統所在六方氮化硼合成新機制研究取得新進展

  

  近日,中國科學院上海微系统与信息技术研究所(以下简称“上海微系统所”)吴天如研究团队和华东师范大学袁清红研究团队基于原位合成、表征研究与第一性原理计算方法,首次提出了铁硼(Fe2B)合金表面高質量多層六方氮化硼(h-BN)原子空位輔助生長新機制。相關研究成果“Vacancy-Assisted Growth Mechanism of Multilayer Hexagonal Boron Nitride on a Fe2B Substrate”于9月11日在《物理化學快報》雜志上在線發表。 

  h-BN以原子级平整表面、无悬挂键、高导热性及良好的理化稳定性等优势成为目前最具潜力的二维晶体器件的介质衬底和封装材料。近年来,上海微系统所吴天如、时志远研究团队聚焦二维晶体理论研究、器件工艺、规模化應用面临的难点问题,在单层h-BN單晶生長、異質結構築及高質量多層h-BN制備等領域展開了一系列研究(Nature Communications, 2015, 6, 6160; Advanced Science, 2017, 4, 1700076; Nature Communications, 2020, 11, 849)。由于國際上h-BN先進合成技術發展緩慢,對傳統方法的生長機制也缺乏深入研究,嚴重限制了大尺寸、高質量h-BN可控合成与实际應用。 

  上海微系統所吳天如研究團隊基于Fe2B合金體系實現了高質量h-BN可控制備,通過快速冷卻淬火技術結合飛行時間二次離子質譜(ToF-SIMS)分析了h-BN合成過程中Fe2B淺表層B原子和N原子分布規律。華東師範大學袁清紅研究團隊采用第一性原理計算方法,對Fe2B表面h-BN的生長機制深入研究,並首次提出Fe2B表面h-BN的空位輔助合成機制。研究發現,B-N二聚體産生使合金表面形成大量B空位,這對B、N原子的遷移起到極大的促進作用。Fe2B基底中B和N原子的扩散仅需克服小于1.5 eV的能垒,这使得N原子在催化表面附近大量溶解。此外,通过对不同尺寸B-N團簇的形成能簣D布斯自由能的計算和擬合,研究人員發現Fe2B表面h-BN成核能垒约2 eV。因此,在相对较低温度(700 K)下合成h-BN成爲可能。該工作所提出的“空位輔助”生長新機制解決了傳統方法合成多層h-BN長久以來缺乏高N溶解度和擴散速率的催化劑這一難題,爲h-BN在二维纳米电子学及新兴微电子器件领域的應用提供了广阔空间。 

  该工作由华东师范大学与上海微系统所联合培养硕士姜忍、上海微系统所时志远博士和华东师范大学硕士赵威为共同第一作者,上海微系统所吴天如副研究员与华东师范大学袁清红教授为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中國科學院先导B类、中國科學院青年创新促进会、上海市超算中心、上海市启明星计划、上海市扬帆计划以及上海市科委的资助。 

  論文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c02289 

  圖1. Fe2B合金表面多層h-BN合成機制示意圖及近表面N原子擴散能量曲線 

  2. 基于飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)的Fe2B合金淺表層B原子和N原子分布規律研究