液态铜催化晶圆级单晶六方氮化硼的可控厚度生长策略

研究人员针对大尺寸单晶h-BN（六方氮化硼）多层膜可控合成的难题，创新性地采用液态铜基底，通过化学气相沉积（CVD）技术实现了晶圆级厚度可调（1-5层）单晶h-BN的生长。该突破解决了传统固态基底成本高、工艺复杂的问题，为二维（2D）电子器件和深紫外光电器件提供了理想介电材料平台。

　　

研究背景与意义
在超越硅基器件的浪潮中，二维材料如六方氮化硼（h-BN）因其原子级平整表面和优异介电性能成为研究热点。h-BN作为二维电子器件的理想介电层，能显著抑制载流子散射，有望延续摩尔定律。此外，其~6.0 eV的宽禁带特性使其在深紫外（UV）光电器件、量子光学和场效应晶体管（FETs）中具有独特优势。然而，现有技术制备的h-BN薄膜常面临三大瓶颈：晶粒尺寸小、厚度不可控、依赖昂贵单晶金属基底（如Cu(111)/Ni(111)），严重制约其商业化应用。

哈尔滨工业大学等机构的研究团队另辟蹊径，利用液态金属表面独特的自限域效应，在《Materials Today》发表了一项突破性研究。他们通过液态铜催化策略，首次实现晶圆级（8厘米）单晶h-BN多层膜（1-5层）的可控生长，其厚度精度可通过化学气相沉积（CVD）时间精准调控。这一成果不仅解决了传统固态基底对界面结构的严苛要求，更开创了二维材料"自上而下"逐层外延的新范式。

关键技术方法
研究采用氨硼烷（H₃
BNH₃
）为前驱体，在Ar/H₂
（9%）混合气流中于1100℃下进行CVD生长。通过调控反应时间（30-150分钟）实现层数控制，并利用透射电子显微镜（TEM）和低能电子衍射（LEED）进行厘米级表征。液态铜基底通过表面层状效应限制前驱体扩散，促使h-BN圆形晶畴自对准、外延生长并逐层堆叠。

研究结果

1. 液态铜表面h-BN薄膜生长机制
   TEM与LEED证实，圆形h-BN晶畴在液态铜表面通过"自准直-成核-外延"三步机制逐层生长：首层晶畴先融合为单晶薄膜，后续层在其表面重复该过程，形成原子级平整的多层结构。

2. 单晶h-BN多层膜的可控合成
   通过精确控制CVD时间（每30分钟增加1层），成功制备1-5层（1L-5L）h-BN单晶薄膜。LEED图谱显示所有样品均呈现单一衍射斑点，证实其长程有序性。

3. 光电性能验证
   基于多层h-BN制备的日盲光电探测器展现出优异响应度，其性能与层数呈正相关，5L样品比1L器件的光电流提升近3倍，证实厚度可控性对器件优化的重要性。

结论与展望
该研究颠覆了传统液态金属自限域生长仅能获得单层材料的认知，首次阐明多层二维材料可通过"液相逐层外延"机制实现单晶化。液态铜的低成本与可扩展性使晶圆级h-BN生产具备工业化潜力，为二维集成电路、深紫外激光器和量子光源提供了材料基础。作者团队特别指出，该策略可拓展至其他范德华材料（如MoS₂
/WS₂
）的制备，有望推动二维器件从实验室走向产业化。