六方氮化硼（h-BN）具有跟石墨烯一样的晶格结构和非常相似的晶格大小，是二维材料大家族中少数几种单层原子结构的二维材料之一。由于在h-BN中硼和氮元素替代了石墨烯晶格中的碳原子而打破了六方晶格的对称性，h-BN具有高达~6.0 eV的带隙，因而是一种优良的二维绝缘体。h-BN具有与石墨烯相似的力学强度、比石墨烯更高的化学稳定性与热稳定性，是极具潜力的低维介电绝缘材料，将来极有可能成为构建集成电路的关键材料之一。
多层h-BN有很多种构型，比如相邻层晶格方向相反的AA'A堆垛和相邻层晶格方向一致的ABA与ABC堆垛等，其中AA'A堆垛具有最低的能量，是多层h-BN最常见的堆垛模式。
理论研究表明，在这些多层结构中
ABC堆垛的多层h-BN具有本征的铁电性
但由于大尺寸ABC堆垛的h-BN样品
很难制备
过去我们从未观察到
ABC堆垛h-BN的滑移铁电性
对此，深圳理工大学（筹）、中国科学院深圳先进技术研究院丁峰教授与中国科学院物理研究所研究员白雪冬和王理、北京大学教授刘开辉、西湖大学研究员郑小睿合作，在多层低维单晶材料制造方面取得重要进展。
研究团队提出了一种新的材料表面外延生长模式，通过在三维空间精确调控二维材料的堆垛模式，制造了新型的功能晶体，为将来实现厚层二维材料可控制备提供了新思路。
该研究实现了镍衬底上多层菱方相氮化硼（r/ABC h-BN）单晶的可控生长，并在该样品上观察到了二维材料独特的滑移铁电性质。成果以Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal为题，于5月2日发表在国际顶尖期刊Nature上。(点击文末“阅读原文”阅读论文）
作者在本研究中提出了利用在高指数单晶金属Ni表面产生的高台阶来实现具有ABC堆垛的多层h-BN单晶的方案。在具体实验中，研究者通过在降温过程在大尺寸单晶Ni衬底表面形成了沿 <110> 方向的斜面高台阶并利用台阶的特殊倾斜角锁定多层h-BN的ABC堆垛模式，从而在台阶处诱导ABC堆垛的h-BN的形核长大，最终制备了英寸级具有ABC堆垛的多层菱方氮化硼单晶。
△斜面台阶外延生长多层菱方氮化硼单晶的原理和制备流程
△单晶衬底与菱方氮化硼晶畴的制备与表征
第一原理计算证明具有非中心对称的ABC堆垛会导致其层间电极化矢量在面外方向积累，所以样品具有铁电性。由于其很弱的层间相互作用，多层h-BN很容易电场的诱导下通过层间滑移而改变其堆垛方式，从而实现极化方向的反转。
△取向一致的菱方氮化硼晶畴逐层无缝拼接形成均匀单晶薄膜
理论模拟的结果表明，铁电畴之间的过渡区宽度仅为 ~10纳米，所以大面积h-BN具有高密度信息储存和进行高效类脑计算的的巨大潜力。
实验上，研究者观察到了多层h-BN的极化翻转并通过透射电镜确认了多层h-BN的极化翻转源自于h-BN的层间滑移，还实现对其铁电畴区的写入和擦除操作。
△菱方氮化硼的滑移铁电性实验
这一研究说明了在低维材料中实现滑移铁电器件的可能性。
该成果提出了
倾斜台阶面制备多层菱方氮化硼单晶
的新方法
创新表面外延生长模式
通过精准排列三维空间原子
人工制造新型晶体
将以往的氮化硼绝缘介质
赋予铁电存储功能
为制造存算一体器件提供新材料策略
助力人工智能时代芯片技术的变革性发展
丁峰教授、白雪冬研究员、刘开辉教授、郑小睿研究员和王理副研究员为论文共同通讯作者。中国科学院物理研究所副研究员王理、北京大学博士生戚嘉杰、华南师范大学魏文娅博士和西湖大学博士生吴梦奇为论文共同第一作者。主要合作者还包括北京大学教授王恩哥、中国科学院物理研究所研究员王文龙、华南师范大学教授徐小志、上海科技大学教授王竹君、华中科技大学教授吴梦昊、松山湖材料实验室研究员吴慕鸿和许智。
该工作得到了中国科学院先导项目、中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金委员会项目、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究重大项目、博士后创新人才计划等基金的资助。
来源：深圳理工大学
原文始发于微信公众号（深圳产学研合作促进会）：助力芯片技术变革性发展！深理工团队在多层低维单晶材料制造方面取得重要进展
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