基于二次电子对比的Ni(111)基底单层hBN薄膜快速晶体织构成像技术开发及其生长机制研究

本研究针对化学气相沉积(CVD)制备超薄hBN薄膜时难以高效表征原子级织构的难题，开发了基于扫描电镜(SEM)二次电子对比的快速晶体取向映射技术。通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了hBN/Ni(111)界面50-600 meV功函数差异的物理机制，实现了对厘米级薄膜中取向畴界、双层堆叠区域的非破坏性表征，为二维材料工业化质量控制提供了新范式。

　　

在二维材料研究领域，六方氮化硼(hBN)因其优异的化学稳定性和宽带隙特性，已成为量子传感、电子封装等领域的关键材料。然而要实现hBN的工业化应用，必须解决化学气相沉积(CVD)生长过程中原子级织构的快速表征难题。传统透射电镜(TEM)和低能电子显微镜(LEEM)虽能解析原子结构，但存在样品制备复杂、检测面积有限等瓶颈。剑桥大学Vitaliy Babenko团队在《Nanoscale Advances》发表的研究，开创性地利用普通扫描电镜(SEM)的二次电子(SE)对比效应，实现了hBN薄膜晶体取向的大面积快速测绘。

研究团队采用密度泛函理论(DFT)计算结合实验验证的方法，系统分析了hBN/Ni(111)界面特性。通过优化SEM成像条件（5 kV加速电压，5 mm工作距离），在未倾斜样品状态下获得最佳取向对比度。利用电子背散射衍射(EBSD)确认Ni(111)衬底的晶体取向分布，并通过原子力显微镜(AFM)表征表面台阶结构。针对不同生长阶段的样品，开发了基于Voigt函数拟合的图像处理算法，实现晶体织构的定量统计分析。

理解SE对比机制

研究发现单层hBN在Ni(111)上存在两种外延构型："FCC型"（B原子位于Ni第三原子层上方）和"HCP型"（B原子位于第二原子层上方）。DFT计算显示两者功函数差异达50 meV，而非外延取向hBN的功函数则高出600 meV。这种差异导致SEM图像中三类明显对比：最暗的HCP外延畴、中等亮度的FCC外延畴，以及接近裸镍亮度的旋转畴。

畴界与双层结构解析

当两种外延畴相遇时，FCC型hBN倾向于在HCP型下方生长形成AA′堆叠双层结构，其16×16网格势能面计算证实这是能量最优构型。而非外延畴与外延畴交界处则出现30-50 μm宽的混合对比区，包含局部重堆叠形成的亮暗相间纳米畴，反映15°-45°大角度扭转导致的复杂界面重构。

薄膜织构统计方法

针对全覆盖薄膜开发的三峰Voigt函数拟合算法，可量化统计HCP外延畴（53%）、FCC外延畴（18%）和双层/旋转畴（29%）的分布。对于部分覆盖样品，增加裸镍峰后能精确计算93%的覆盖率及其取向组成，该方法可实现晶圆级质量监控。

该研究的重要意义在于将传统SEM升级为原子级织构分析工具，破解了二维材料工业化生产中的表征瓶颈。发现的AA′堆叠双层生长机制为定制hBN异质结提供了新思路，而建立的快速统计方法则能大幅加速CVD工艺优化进程。特别值得注意的是，研究揭示了实际Ni(556)等高位向衬底对hBN生长的关键影响，这对理解文献中不同课题组的外延生长差异具有重要启示。技术方案可推广至其他二维材料/金属体系，为表面科学和工业应用架起新的桥梁。