通过金属有机化学气相沉积克服六方氮化硼的堆叠限制

来自浦项科技大学（POSTECH）和蒙彼利埃大学的研究人员成功合成了晶圆级六方氮化硼（hBN），其表现出AA堆叠结构，这是一种以前被认为无法实现的晶体结构

这一成果是通过在氮化镓（GaN）基板上进行金属有机化学气相沉积（MOCVD）实现的，为范德华材料的精确堆叠控制引入了一条新途径，影响了量子光子学、深紫外（DUV）光电子和下一代电子器件的潜在应用

这项研究由Jong-Kyu Kim教授、Si-Young Choi教授（POSTECH）和Guillaume Cassabois教授（蒙彼利埃大学）领导，为影响非常规堆叠配置的因素提供了关键见解

发表在《自然材料》杂志上的研究结果挑战了之前关于hBN堆叠约束的假设，表明台阶边缘引导生长和电荷掺入对于稳定热力学上不利的AA堆叠结构至关重要

hBN长期以来一直被视为二维电子、光子和量子应用的关键绝缘材料。通常，hBN采用AA'堆叠结构，其中硼和氮原子在层之间垂直交替。相比之下，由于强烈的层间静电排斥，AA堆叠结构（相同的原子垂直排列）传统上被认为是不稳定的

通过详细调查，研究小组发现，邻近GaN基板上的台阶边缘充当成核位点，促进hBN层的单向排列，并最大限度地减少旋转无序。这种阶跃边缘引导生长机制能够形成高质量的晶片级AA堆叠hBN薄膜，确保了实际电子和光子应用所需的结构均匀性和结晶度

此外，该研究强调了MOCVD工艺中通过碳掺入进行电子掺杂的关键作用。碳的存在引入了过量的电荷载流子，改变了层间相互作用，有效地减轻了通常与AA堆叠相关的排斥力。这种电荷介导的稳定和阶跃边缘对齐共同构成了范德华材料中工程定制堆叠序列的一种以前未被探索的机制

领导这项研究的Jong-Kyu Kim教授说：“我们的研究表明，范德华材料中的堆叠结构不仅仅受热力学因素的影响，而是可以通过基底特性和电荷掺入来稳定。”。“这一见解显著扩展了具有独特电子和光学特性的定制2D材料架构的潜力。”

合成AA堆叠hBN的光学表征揭示了增强的二次谐波发生（SHG）——非中心对称晶体结构的标志——表明其在非线性光学中具有广阔的应用前景。此外，该材料在DUV区域表现出尖锐的带边发射，表明其在DUV光谱中工作的高效光电器件的潜力

“实现堆叠顺序的晶圆级控制是可扩展、高性能2D电子和光子系统的一个重要里程碑，”金钟圭教授实验室的博士后研究员、该研究的主要作者Seokho Moon说

“这项工作突出了MOCVD作为精确工程范德华材料平台的多功能性。”