近日，我院徐小志教授团队魏文娅特聘研究员与中国科学院物理研究所白雪冬研究员和王理副研究员、北京大学刘开辉教授、西湖大学郑小睿研究员、深圳先进技术研究院丁峰教授合作，在叠层低维单晶材料制造方面取得重要进展，实现镍衬底上菱方相氮化硼叠层单晶的可控生长。该研究成果以“Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal”为题，于05月02日发表在《Nature》上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07286-3。

六方氮化硼（h-BN）是极具潜力的下一代低维介电绝缘材料。ABC堆垛叠层在保有h-BN优异物理化学性质的同时，具有本征的滑移铁电性和非线性光学性质。大尺寸ABC堆垛叠层单晶的可控制备，是基础研究和实现其广泛应用的前提。然而，金属衬底快速生长的首层hBN薄膜对衬底催化产生屏蔽效应，阻碍后续层数的持续生长。此外，ABC，AA'A和ABA堆垛叠层h-BN都具有较好的稳定性，导致同一样品多种堆垛混杂。因此，制备ABC堆垛叠层单晶必须基于更强的表界面相互作用，同时，必须对外延衬底表面进行设计以与ABC堆垛原子构型相匹配，以生长均一堆垛。

研究组提出基于衬底的面内、外协同调控机制，在单晶金属Ni衬底表面设计并制备具有斜面的高台阶，以有效调控叠层单晶的生长。利用Ni（520）衬底表面降温聚合形成斜面高台阶，该类高台阶能在生长过程中协同调控并锁定ABC堆垛叠层h-BN的面内晶格取向和面外滑移矢量，诱导ABC堆垛晶畴形核长大。基于该理论，成功在Ni（520）面制备具有精准ABC原子层堆垛的菱方氮化硼叠层单晶。理论计算同时证明非中心对称ABC堆垛会导致其层间电极化矢量在面外方向积累，展现出铁电性。此外，叠层堆垛具有较小的层间滑移和极化翻转势垒，铁电畴的理论宽度约仅为为10纳米，预示其作为高密度信息存储介质的潜力。实验透射电镜原位观测结果进一步确认了ABC堆垛叠层的极化翻转源自于层间滑移，同时基于压电响应力的扫描探针（PFM）测量发现ABC堆垛叠层具有高居里温度，还实现对其铁电畴区的写入和擦除操作。

中国科学院物理研究所王理副研究员、北京大学博士研究生戚嘉杰、华南师范大学魏文娅特聘研究员和西湖大学博士研究生生吴梦奇为论文共同第一作者；中国科学院物理研究所白雪冬研究员、北京大学刘开辉教授、西湖大学郑小睿研究员、深圳先进技术研究院丁峰教授和中国科学院物理研究所王理副研究员为论文共同通讯作者。主要合作者还包括北京大学王恩哥教授、中国科学院物理研究所王文龙研究员、华南师范大学徐小志教授、上海科技大学王竹君教授、华中科技大学吴梦昊教授、松山湖材料实验室吴慕鸿研究员和许智研究员。

该工作得到了博士后创新人才计划和物理学一流学科建设经费等基金的资助。

图1. 斜面台阶外延生长多层菱方氮化硼单晶的原理和制备流程