高压高温制备高质量六方氮化硼单晶 | 进展

高质量六方氮化硼（hBN）单晶因具有优异的物理化学特性 ，包括原子级平坦表面、宽带隙（~ 5.9 eV）、高绝缘、高面内热导率以及化学惰性等，被作为衬底和封装材料广泛应用于二维量子材料体系的构筑，是低维材料和物理领域研究新奇物理效应和研制高性能电子器件的关键基础材料。此外，hBN在中子探测器、高效率紫外光源、超低损耗等离激元载体、高效单光子光源、滑移铁电材料和忆阻器等多个领域也展现出广泛应用的潜力。目前，国内外二维量子材料研究团队使用的高质量纯净hBN单晶主要来自日本国立材料研究所（NIMS）的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授团队，他们采用Ba-BN溶剂体系在高温高压条件下制备高质量的hBN单晶。然而，由于Ba基系统吸水性强，暴露在空气中容易发生快速氧化，且所用的氮化钡（Ba 2N 3）前驱体价格相对较高，因此开发新的性质稳定且成本较低的溶剂体系来制备高质量hBN单晶具有重要意义。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的程金光研究员团队和东南大学的万能副研究员团队等组成的联合研究团队，利用物理所先进的大腔体多砧高压高温合成设备，经过大量实验摸索，近期在高质量hBN单晶制备方面取得重要进展。他们开发了一种新型的低成本Sr基溶剂Sr3B2N4（其成本约为Ba基溶剂的1/20），在4.5GPa和1500℃的高压高温条件下成功制备出了hBN单晶，并系统研究了前驱体中的氧含量对高质量hBN单晶产率的影响。通过X射线衍射、拉曼光谱、阴极发光和X射线光电子能谱等一系列的表征，表明该团队制备的hBN单晶质量已达到与NIMS团队相当的水平。

图 高温高压下利用Sr基溶剂体系合成的hBN单晶及其XRD和阴极发光表征结果。

该研究探索出一种低成本制备高质量hBN单晶的新工艺，填补了我国在高压高温条件下合成高质量hBN单晶的空白，为进一步实现大规模hBN单晶制备和应用奠定了基础。同时也有助于保障我国二维量子材料研究中关键基础材料的自主可控。

相关成果以“High-Pressure High-Temperature Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Single Crystals from a Sr3B2N4 Solvent”为题近期发表在Crystal Growth & Design上。东南大学博士研究生田明、物理所博士后王宁宁为论文共同第一作者，东南大学万能副研究员、物理所程金光研究员为论文共同通讯作者。本工作是在复旦大学张远波教授的建议下而开展的。此外，南京航空航天大学张玲珑团队，上海大学邢娟娟团队等共同参与本工作，日本国立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授提供了Ba-BN溶剂制备的高质量hBN单晶进行对比。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和江苏省研究生科研实践创新计划等项目支持。