用氮氣、含硼合金催化可控制備大面積六方氮化硼（h-BN）已成為現實，但是對于這種生長機制的系統研究還很少，這阻礙了大尺寸、高質量h-BN可控合成與實際應用。

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所副研究員吳天如研究團隊和華東師范大學教授袁清紅研究團隊，基于原位合成、表征研究與第一性原理計算方法，提出鐵硼（Fe₂B）合金表面高質量多層六方氮化硼（h-BN）原子空位輔助生長新機制。

Fe₂B合金表面多層h-BN合成機制示意圖

吳天如研究團隊基于Fe2B合金體系實現高質量h-BN可控制備，通過快速冷卻淬火技術結合飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS），分析h-BN合成過程中Fe₂B淺表層B原子和N原子分布規律。袁清紅研究團隊采用第一性原理計算方法，研究Fe₂B表面h-BN的生長機制，提出Fe₂B表面h-BN的空位輔助合成機制。研究發現，B-N二聚體產生使合金表面形成大量B空位，對B、N原子的遷移起到較大的促進作用。

在這項工作中，在密度泛函理論（DFT）計算和實驗的基礎上，揭示了h-BN在Fe2B襯底上的空位輔助生長機理。研究發現Fe₂B表面h-BN成核能壘約2eV。因此，在相對較低溫度（700K）下合成h-BN成為可能。該研究提出的“空位輔助”生長新機制，解決傳統方法合成多層h-BN長久以來缺乏高N溶解度和擴散速率的催化劑的難題，有利于實現多層材料的晶圓級制備，為二維電子和光電子器件的潛在應用奠定了基礎。

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

參考來源：上海微系統與信息技術研究所

編譯整理 YUXI