用氮气、含硼合金催化可控制备大面积六方氮化硼（h-BN）已成为现实，但是对于这种生长机制的系统研究还很少，这阻碍了大尺寸、高质量h-BN可控合成与实际应用。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员吴天如研究团队和华东师范大学教授袁清红研究团队，基于原位合成、表征研究与第一性原理计算方法，提出铁硼（Fe₂B）合金表面高质量多层六方氮化硼（h-BN）原子空位辅助生长新机制。

Fe₂B合金表面多层h-BN合成机制示意图

吴天如研究团队基于Fe2B合金体系实现高质量h-BN可控制备，通过快速冷却淬火技术结合飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS），分析h-BN合成过程中Fe₂B浅表层B原子和N原子分布规律。袁清红研究团队采用第一性原理计算方法，研究Fe₂B表面h-BN的生长机制，提出Fe₂B表面h-BN的空位辅助合成机制。研究发现，B-N二聚体产生使合金表面形成大量B空位，对B、N原子的迁移起到较大的促进作用。

在这项工作中，在密度泛函理论（DFT）计算和实验的基础上，揭示了h-BN在Fe2B衬底上的空位辅助生长机理。研究发现Fe₂B表面h-BN成核能垒约2eV。因此，在相对较低温度（700K）下合成h-BN成为可能。该研究提出的“空位辅助”生长新机制，解决传统方法合成多层h-BN长久以来缺乏高N溶解度和扩散速率的催化剂的难题，有利于实现多层材料的晶圆级制备，为二维电子和光电子器件的潜在应用奠定了基础。

论文地址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c02289

参考来源：上海微系统与信息技术研究所

编译整理 YUXI