六方氮化硼（h-BN）具有跟石墨烯一樣的晶格結(jié)構(gòu)和非常相似的晶格大小，是二維材料大家族中少數(shù)幾種單層原子結(jié)構(gòu)的二維材料之一。由于在h-BN中硼和氮元素替代了石墨烯晶格中的碳原子而打破了六方晶格的對稱性，h-BN具有高達(dá)~6.0 eV的帶隙，因而是一種優(yōu)良的二維絕緣體。h-BN具有與石墨烯相似的力學(xué)強(qiáng)度、比石墨烯更高的化學(xué)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，是極具潛力的低維介電絕緣材料，將來極有可能成為構(gòu)建集成電路的關(guān)鍵材料之一。
多層h-BN有很多種構(gòu)型，比如相鄰層晶格方向相反的AA'A堆垛和相鄰層晶格方向一致的ABA與ABC堆垛等，其中AA'A堆垛具有最低的能量，是多層h-BN最常見的堆垛模式。
理論研究表明，在這些多層結(jié)構(gòu)中ABC堆垛的多層h-BN具有本征的鐵電性，但由于大尺寸ABC堆垛的h-BN樣品很難制備。過去我們從未觀察到ABC堆垛h-BN的滑移鐵電性。
對此，深圳理工大學(xué)（籌）、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院丁峰教授與中國科學(xué)院物理研究所研究員白雪冬和王理、北京大學(xué)教授劉開輝、西湖大學(xué)研究員鄭小睿合作，在多層低維單晶材料制造方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的材料表面外延生長模式，通過在三維空間精確調(diào)控二維材料的堆垛模式，制造了新型的功能晶體，為將來實(shí)現(xiàn)厚層二維材料可控制備提供了新思路。
該研究實(shí)現(xiàn)了鎳襯底上多層菱方相氮化硼（r/ABC h-BN）單晶的可控生長，并在該樣品上觀察到了二維材料獨(dú)特的滑移鐵電性質(zhì)。成果以Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal為題，于5月2日發(fā)表在國際頂尖期刊Nature上。(點(diǎn)擊文末“閱讀原文”閱讀論文）
作者在本研究中提出了利用在高指數(shù)單晶金屬Ni表面產(chǎn)生的高臺階來實(shí)現(xiàn)具有ABC堆垛的多層h-BN單晶的方案。在具體實(shí)驗(yàn)中，研究者通過在降溫過程在大尺寸單晶Ni襯底表面形成了沿<110>方向的斜面高臺階并利用臺階的特殊傾斜角鎖定多層h-BN的ABC堆垛模式，從而在臺階處誘導(dǎo)ABC堆垛的h-BN的形核長大，最終制備了英寸級具有ABC堆垛的多層菱方氮化硼單晶。
第一原理計(jì)算證明具有非中心對稱的ABC堆垛會(huì)導(dǎo)致其層間電極化矢量在面外方向積累，所以樣品具有鐵電性。由于其很弱的層間相互作用，多層h-BN很容易電場的誘導(dǎo)下通過層間滑移而改變其堆垛方式，從而實(shí)現(xiàn)極化方向的反轉(zhuǎn)。
理論模擬的結(jié)果表明，鐵電疇之間的過渡區(qū)寬度僅為~10納米，所以大面積h-BN具有高密度信息儲存和進(jìn)行高效類腦計(jì)算的的巨大潛力。
實(shí)驗(yàn)上，研究者觀察到了多層h-BN的極化翻轉(zhuǎn)并通過透射電鏡確認(rèn)了多層h-BN的極化翻轉(zhuǎn)源自于h-BN的層間滑移，還實(shí)現(xiàn)對其鐵電疇區(qū)的寫入和擦除操作。
這一研究說明了在低維材料中實(shí)現(xiàn)滑移鐵電器件的可能性。
該成果提出了傾斜臺階面制備多層菱方氮化硼單晶的新方法，創(chuàng)新表面外延生長模式通過精準(zhǔn)排列三維空間原子人工制造新型晶體。將以往的氮化硼絕緣介質(zhì)賦予鐵電存儲功能為制造存算一體器件提供新材料策略助力人工智能時(shí)代芯片技術(shù)的變革性發(fā)展。
斜面臺階外延生長多層菱方氮化硼單晶的原理和制備流程
單晶襯底與菱方氮化硼晶疇的制備與表征
取向一致的菱方氮化硼晶疇逐層無縫拼接形成均勻單晶薄膜
菱方氮化硼的滑移鐵電性實(shí)驗(yàn)
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