beat365官方网站劉開輝教授、王恩哥院士與中國科學院物理研究所白雪冬研究員等多團隊聯合提出了一種傾斜台階面調控二維晶體相結構的新機制。通過在單晶鎳襯底表面構造平行排列的高台階，同時設計台階傾斜面和平台面之間的精确夾角，實現了對于單個氮化硼晶疇的逐層同向排列、一緻滑移的堆垛鎖定和對于所有氮化硼晶疇取向協同的生長控制，首次獲得了二維菱方相單晶氮化硼晶體。2024年5月1日，相關研究成果以“傾斜邊緣外延鐵電單晶菱方氮化硼”（Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal）為題，在線發表于《自然》（Nature）。
二維晶體豐富的相結構，為研究強關聯電子學、體光伏光電子學、非線性量子光學等諸多前沿物理領域提供了廣闊平台，也為先進電子器件、能源轉換存儲、二維光學晶體等實際應用領域帶來了變革機遇。實現相結構的有效調控，是二維晶體的一大發展關鍵。然而，由于熱力學限制，天然存在的和人工合成的二維晶體，都傾向于表現為能量最低的熱力學穩定相；如何實現二維晶體亞穩相的制備，迄今為止仍是一個科學難題。
以氮化硼材料為例，理論上，要制備熱力學亞穩定的菱方相單晶，有三個必要條件：（1）打破相鄰層間硼-氮鍵反向排列能量最優的狀态（即六方氮化硼的AA’A堆垛構型），實現所有層中的硼-氮鍵均同向排列；（2）誘導相鄰兩層氮化硼均沿armchair方向恒定滑移硼-氮鍵長的半整數倍，保證層間純相ABC堆垛，而不存在ABA堆垛；（3）确保每個菱方氮化硼的晶疇取向均一緻，最終能無縫拼接成一個大面積單晶。
圖1：傾斜台階邊緣鎖定菱方氮化硼生長的物理機制
針對上述要求，劉開輝課題組與中國科學院物理研究所白雪冬研究員等合作開發了一種傾斜高台階邊緣逐層鎖定氮化硼晶疇層間滑移矢量的生長方法（圖1）。通過優選鎳(100)面作為平台面匹配氮化硼層間晶格周期、鎳(110)面作為傾斜面誘導氮化硼逐層滑移2.5倍硼-氮鍵長，最終在4 × 4 cm2單晶鎳表面合成了厚度2.2-12 nm可調的單晶純相菱方氮化硼薄膜。系統的測試證明，該薄膜存在随厚度逐層累積的縱向極化，且極化方向可以通過外加電場改變氮化硼堆垛構型的方式而改變，表現出了可操縱的鐵電特性。該工作有望推動單晶少層菱方氮化硼薄膜作為多功能二維介電材料的發展，并為其它二維晶體相結構調控生長提供了一條可行路徑。
中國科學院物理研究所王理副研究員、beat365博士生戚嘉傑、華南師範大學魏文娅博士和西湖大學博士生吳夢奇為論文共同第一作者；中國科學院物理研究所白雪冬研究員、beat365劉開輝教授、西湖大學鄭小睿研究員、深圳先進技術研究院丁峰教授和中國科學院物理研究所王理副研究員為論文共同通訊作者。其他主要合作者還包括beat365王恩哥院士、高鵬教授、吳慕鴻副研究員，華南師範大學徐小志教授，上海科技大學王竹君教授，華中科技大學吳夢昊教授，中國科學院物理研究所王文龍研究員，松山湖材料實驗室許智研究員，中國人民大學劉燦副教授等。
研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、騰訊基金會探索獎等相關項目及beat365納光電子前沿科學中心、量子物質科學協同創新中心、輕元素先進材料研究中心、松山湖材料實驗室和天津國家超算中心等的大力支持。
論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07286-3
