「智东西」Nature：1纳米芯片将成可能，台积电研制世界最薄二维半导体材料( 二 )

2025-12-31

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▲Cu(111)在c-plane蓝宝石基底上的晶格取向
实现单取向hBN三角形薄片的生长是获得晶圆级单晶hBN的重要步骤。由于Cu（111）的六重对称性， hBN与Cu（111）的范德华配准导致了两组能量最小的构型（其取向相差60°或180°），且结合能几乎是简并的。因此，通常认为将hBN薄片限制在这种高对称性表面上是单向的是不可能的。但作者实验表明，在自发存在的顶层Cu台阶边缘的存在下，可以消除能量简并性。 hBN单层的生长是通过在热壁化学气相沉积（CVD）炉中将氨硼烷前体流到1英寸单晶Cu（111）薄膜/蓝宝石上来进行的。
在具有双晶的Cu（111）薄膜上生长的单层hBN三角形薄片的光学显微照片（图2a）显示， hBN薄片在一个孪晶上朝向相同的方向，并且在相反的方向（或沿60°平面内旋转）取向配对双胞胎上的“ z轴”（扩展数据，图2）。图2b显示了在没有双晶粒的单晶Cu（111）薄膜上生长的hBN薄片的光学显微照片，其中几乎所有三角形都是单向排列的（另请参见图3的扩展数据以获取hBN取向分布的统计分析）三角形薄片）。对单个单晶Cu（111）晶粒的单向观察清楚表明，存在能量最小的hBN-Cu（111）构型。因此，消除Cu（111）中的孪晶晶粒将确保在其上生长出单晶hBN 。
为了验证单结晶度，我们使用微点低能电子衍射（μ-LEED）在一个1英寸晶圆上的80个位置使用约3μm的探针大小来表征从单向三角形融合的hBN单层。图2c显示了来自九个随机选择位点的μ-LEED模式。所有结果表明， hBN单层与Cu（111）表面单向对齐，表明它们的单晶性严格遵循Cu（111）晶格。图2d中hBN在Cu（111）上的原子分辨扫描隧道显微镜（STM）图像显示了完美的hBN晶格，测得的晶格常数为2.50±0.1? 。作者探查了20多个位置，所有STM图像均显示了相同的hBN晶格取向。作者没有观察到由相邻的取向错误的hBN域形成的任何晶界，表明hBN的单晶性质。
在某些区域，莫尔条纹是由于hBN与下面的Cu（111）衬底之间的晶格失配和/或相对较小的旋转（在1.5°内）引起的。莫尔边界区域的放大原子分辨率图像显示， hBN在斑块边界处表现出完美的晶格相干性，表明莫尔图案的形成不会影响整体hBN取向。作者认为， hBN在高温下完成了单晶生长，并且在生长后与样品冷却相关的应变导致形成了局部莫尔条纹。其他特征，包括X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱，证明了B–N化学键结构（图2e ， f）。透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）的图像一致显示，这种生长出的hBN确实是单层的（图2g ， h）。

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▲单晶hBN在Cu(111)膜上的生长和原子结构
作者发现，在1,050 ℃下制备出Cu（111）薄膜，即可在995 C至1,070 ℃的各种生长温度下实现hBN薄片的单取向生长。但是，较低的生长温度（995 C至1,010 ℃）通常会导致质量较低的hBN薄片，随后在150 ℃的空气中进行氧化测试时，这些薄片很容易被氧化。因此，作者使用了更高的生长温度（通常为1,050 ℃）来确保高质量的单晶hBN生长。
为了解释hBN在Cu（111）上的优选取向，作者考虑使用小的刚性B6N7分子（即在能量上有利的N端三环结构）作为探针种子。我们首先使用密度泛函理论（DFT）来计算平面对平面外延的影响，以计算六个典型原子堆叠构型的结合能（图3a），其中NIBIII ， NIIIBII和NIIBI被定义为0°方向，而NIBII ， NIIBIII和NIIIBI为60°（倒置）方向。 NiBj表示第i层中的Cu原子（位于上方）与N原子的配准堆叠，而B原子与第j层的Cu原子配准。计算表明，在第一层Cu原子（NIBIII（0°）和NIBII（60°））上具有N原子的堆叠具有最低的能量，而在第一层Cu原子（NIIBI）之上的B原子（0°）和NIIIBI（60°））在能量上不利。

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