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简介: 一个研究团队首次开发了一种可靠的、可扩展的方法，可以在石墨烯上生长单层六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN），这一发现可能会加速下一代电子和LED器件的研究。
图1：在单层hBN/HOPG异质结构上进行的深紫外光致发光实验示意图。
应用广泛的分子束外延工艺，可以生产大片高质量的hBN，相关研究发表在《Advanced Material》。
密歇根大学电子工程和计算机科学教授、该研究的通讯作者Zetian Mi说，石墨烯-hBN结构可以实现产生深紫外光的LED，这在今天的LED中是不可能的。深紫外LED可以驱动实现更小的尺寸和更高的效率的各种设备包括激光器和空气净化器等。
Mi说:“现在用来产生深紫外光的技术是汞氙灯，这种灯很热，体积大，效率低，而且含有有毒物质。”“如果我们可以用LED产生这种光，我们就可以看到UV设备的突破，就像我们看到LED灯泡取代白炽灯时一样。”
hBN是世界上最薄的绝缘体，而石墨烯是半金属材料中最薄的，半金属材料具有高度的可延展性，在计算机和其他电子产品中发挥着重要作用。
将hBN和石墨烯在光滑的单原子层中结合在一起，产生了非常丰富的特殊性质。除了深紫外光led，石墨烯-hBN结构可以促进量子计算设备，更小和更高效的电子和光电子和各种其他应用的发展。
“研究人员很久之前就知道hBN的属性,但在过去,唯一的获得用于研究的薄片的方式是从一个较大的氮化硼晶体上剥离，过程繁杂,并且只能产量小片的材料,“小姐说。“我们的方法可以产生出任何尺寸的原子级薄片，这为开启了许多新研究提供了可能性。”
由于石墨烯和hBN非常薄，它们可以用来制造比现有设备更小、更节能的电子设备。hBN和石墨烯的层状结构还可以表现出奇异的特性，可以在量子计算设备中存储信息，比如可以从导体切换到绝缘体，或者支持不寻常的电子自旋。
虽然研究人员过去曾尝试使用溅射和化学气相沉积等方法合成薄层hBN，但他们难以获得均匀、精确有序的原子层，这些原子层需要与石墨烯层正确结合。
电子工程和计算机科学博士后研究员Ping Wang说:“要得到一个有用的产品，你需要一致的、有序的hBN原子行，与下面的石墨烯对齐，而之前的工艺无法实现这一点。”“可能一些hBN排列整齐，但许多区域是无序和随机排列的。”
这个由电子工程和计算机科学、材料科学和工程以及物理研究人员组成的团队发现，在高温下，整齐排列的hBN原子比不受欢迎的锯齿状结构更稳定。有了这些知识，Wang开始进行分子束外延的实验，这是一种相当于将单个原子喷到基板上的过程。
王使用了一个阶梯状石墨烯基底——本质上是一个原子尺度的阶梯——并将其加热到1600摄氏度左右，然后喷洒单个硼原子和活性氮原子。结果远远超出了团队的预期，在石墨烯的阶梯状边缘形成了整齐有序的hBN接缝，扩展成材料的宽带。
Mi说:“对大量原始hBN进行实验多年来一直是一个遥远的梦想，但这次发现改变了这一状况。”“这是迈向2D量子结构商业化的一大步。”
如果没有各种学科的合作，就不可能有这样的结果。来自密歇根大学和耶鲁大学的电子工程、计算机科学、材料科学和工程的研究人员用数学理论支撑了一些工作。
Mi的实验室开发了这一过程，合成了这种材料，并对其与光的相互作用进行了表征。然后，密歇根大学的材料科学家和工程师以及俄亥俄州立大学的合作者详细研究了它的结构和电学特性。
[1] Ping Wang, Woncheol Lee, Joseph P. Corbett, William H. Koll, Nguyen M. Vu, David Arto Laleyan, Qiannan Wen, Yuanpeng Wu, Ayush Pandey, Jiseok Gim, Ding Wang, Diana Y. Qiu, Robert Hovden, Mackillo Kira, John T. Heron, Jay A. Gupta, Emmanouil Kioupakis, Zetian Mi. Scalable Synthesis of Monolayer Hexagonal Boron Nitride on Graphene with Giant Bandgap Renormalization. Advanced Materials, 2022; 2201387 DOI: 10.1002/adma.202201387
来源：Materials provided by University of Michigan.
