Fe₂B合金表面多層h-BN合成機制示意圖及近表面N原子擴散能量曲線

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員吳天如團隊和華東師范大學教授袁清紅團隊，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(zhì)量多層六方氮化硼（h-BN）原子空位輔助生長新機制。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《物理化學快報》。

h-BN以原子級平整表面、無懸掛鍵、高導熱性和良好的理化穩(wěn)定性等優(yōu)勢，成為具有潛力的二維晶體器件的介質(zhì)襯底和封裝材料。由于h-BN先進合成技術(shù)發(fā)展較慢，缺乏對傳統(tǒng)方法生長機制的研究，限制了大尺寸、高質(zhì)量h-BN可控合成與實際應(yīng)用。

為此，吳天如團隊基于Fe₂B合金體系實現(xiàn)高質(zhì)量h-BN可控制備，通過快速冷卻淬火技術(shù)結(jié)合飛行時間二次離子質(zhì)譜，分析h-BN合成過程中Fe₂B淺表層B原子和N原子分布規(guī)律。袁清紅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。研究人員發(fā)現(xiàn)，B-N二聚體產(chǎn)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。Fe₂B基底中B和N原子的擴散僅需克服小于1.5 eV的能壘，使得N原子在催化表面附近大量溶解。

同時，通過對不同尺寸B-N團簇的形成能和吉布斯自由能的計算和擬合，研究發(fā)現(xiàn)Fe₂B表面h-BN成核能壘約2 eV。因此，在相對較低溫度（700 K）下合成h-BN成為可能。

研究人員表示，該研究提出的“空位輔助”生長新機制，解決傳統(tǒng)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，為h-BN在二維納米電子學及新興微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供空間。