在常压下生长的高质量氮化硼

德国亚琛工业大学和法国 ONERA-CNRS 的石墨烯旗舰研究人员与德国彼得格伦伯格研究所、法国凡尔赛大学和堪萨斯州立大学的研究人员合作，报告了在增长方面向前迈出的重要一步常压下的单同位素六方氮化硼，用于生产大而高质量的晶体。

六方氮化硼 (hBN) 是石墨烯器件的无名英雄。在过去十年中，人们认识到在两个 hBN 晶体之间“夹心”石墨烯可以显着提高所得器件的质量和性能，从而取得了很大进展。这一发现为一系列激动人心的发展铺平了道路，包括奇特效应的发现，如魔角超导性和具有无与伦比灵敏度的传感器的概念验证演示。

到目前为止，使用最广泛的 hBN 晶体来自筑波的国立材料科学研究所。这些晶体是在高温(超过 1500°C)和极高压力(超过大气压40,000 倍)下使用工艺生长的。“研究人员 Taniguchi 和 Watanabe 对石墨烯研究的开创性贡献是无价的，”来自德国亚琛工业大学石墨烯旗舰合作伙伴的 Christoph Stampfer 说道。“他们免费为全球数百个实验室提供超纯 hBN。没有他们的贡献，我们今天所做的很多事情都是不可能的。”

然而，这种 hBN 生长方法有一些局限性。其中包括限制在几百微米的小晶体尺寸以及生长过程的复杂性。这适用于基础研究，但除此之外，还需要一种具有更好可扩展性的方法。现在，Graphene Flagship 研究人员测试了使用一种在大气压下工作的新方法生长的 hBN 晶体，该方法由堪萨斯州立大学的 James Edgar 领导的一组研究人员开发。这种新方法显示出对要求更高的研究和生产的巨大希望。

“当 Edgar 提议我们测试他的 hBN 的质量时，我非常兴奋，”Stampfer 说。“他的生长方法可能适合大规模生产。” 在大气压下生长 hBN 的方法确实比以前的替代方法更简单、更便宜，并且可以控制同位素浓度。

“我们收到的 hBN 晶体是我见过的最大的晶体，它们都基于同位素纯硼 10 或硼 11，”石墨烯旗舰合作伙伴亚琛工业大学的研究生 Jens Sonntag 说。Sonntag 首先使用共焦拉曼光谱测试了薄片的质量。此外，由 Annick Loiseau 领导的法国 ONERA-CNRS Graphene Flagship 合作伙伴进行了先进的发光测量。两次测量都表明同位素纯度高，晶体质量高。

然而，高 hBN 质量的最有力证据来自对包含夹在单同位素 hBN 之间的石墨烯的设备进行的传输测量。它们表现出与基于 hBN 的最先进设备相当的性能，在某些领域具有更好的性能。

“这清楚地表明这些 hBN 晶体具有极高的质量，”Stampfer 说。“这对整个石墨烯社区来说是个好消息，因为它表明原则上可以大规模生产高质量的 hBN，使我们离基于高性能石墨烯电子和光电子的实际应用又近了一步。此外，控制晶体同位素浓度的可能性为以前不可能进行的实验打开了大门。”

使能材料工作包负责人 Mar García-Hernández 补充说：“自立式石墨烯是已知最薄的材料，具有很大的表面积，因此对其周围环境极为敏感，进而导致其特殊性能的显着降低。然而，有一个明确的策略可以避免这些有害影响：将石墨烯封装在两个保护层之间。”

García-Hernández 继续说道：“当石墨烯被 hBN 封装时，它会显示出它的内在特性。这使得 hBN 成为将石墨烯集成到当前技术中的重要材料，并证明了为大规模 hBN 生产设计新的可扩展合成路线的重要性。这项工作不仅提供了一种新的、更简单的大规模生产高质量 hBN 晶体的途径，而且还能够生产单同位素材料，这进一步减少了石墨烯在被两层封装时的降解。”

Graphene Flagship 科技官兼管理小组主席 Andrea C. Ferrari 补充说：“这是和之间合作的一个很好的例子，我们通过许多双边研讨会促进了这种合作。设计替代方法来生产高质量的 hBN 晶体对于我们在光电应用中利用石墨烯的最终特性至关重要。此外，这项工作将导致基础研究取得重大进展。”

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