作为第三代宽禁带半导体的代表材料之一， 六方氮化硼（h-BN）以其宽带隙、高温稳定性、优异的力学性能、低介电常数和化学惰性等优点，被认为是保护二维晶体材料本征特性的最佳材料。目前，晶圆级单晶h-BN单层的可控制备已经取得突破性进展，但单原子层厚度的h-BN还不足以满足很多实际应用的需求。大面积、高质量（或单晶）多层h-BN 的可控制备是实现其在二维晶体器件的规模化应用中需要克服的瓶颈问题。现阶段，可控制备晶圆级单晶h-BN多层面临的挑战在于：已有的过渡金属催化剂表面普遍存在“自限制”生长的现象，因而利用化学气相沉积法制备的h-BN薄膜厚度有限且不均匀。

最近，实验上利用N2在Fe-B合金衬底上实现了实现了高质量、大面积、厚度均匀可控的h-BN连续薄膜的CVD 制备[ Nature Communications11, 849 (2020)]。然而，我们对于多层h-BN在Fe-B合金表面的生长机制还知之甚少，缺乏一个有效的理论框架来指导实验设计。

近日，实验室袁清红研究员与中科院微系统信息与技术研究所的吴天如研究员合作，揭示了利用N2作为氮源，Fe2B作为硼源和催化剂衬底形成多层h-BN的生长机制。如图1a所示，多层h-BN的生长涉及N2分子在Fe2B表面的吸附和解离，单层h-BN的成核和生长，以及多层h-BN的形成。结合理论计算和实验表征，我们发现多层h-BN生长的关键机制是第一层h-BN的形成导致Fe2B内部产生大量的B空缺，这些B空穴的形成促进了Fe2B块体内的B原子向表面的迁移以及N原子在Fe2B块体内的溶解，从而引发了多层h-BN的生长。（图1b-c）

我们所揭示的多层h-BN的生长机制有望为将来实验上进一步控制多层h-BN的质量和层数提供思路。该研究工作发表在Journal of Physical Chemistry Letters 11, 8511 (2020)，实验室硕士研究生姜忍为该工作的第一作者。

图1. 多层h-BN的生长机制。a,Fe2B上合成h-BN的主要步骤示意图。b, 在通Ar（左图）和N2 （右图）氛围下Fe2B上B，N和Fe元素的浓度分布随时间的演化图。c, N2分子在Fe2B表面的吸附和解离（上图），B原子从Fe2B体相迁移到表面（中图）以及N原子从Fe2B表面渗入体相（下图）的结构和能量图。