背景介紹
材料是推動現代高科技產業發展的基礎。基於硅基材料的各種先進器件引領了現代信息科技革命，對世界的政治、經濟格局產生了重要影響。近年來，隨著芯片尺寸的不斷減小，短溝道效應、熱效應等日趨明顯，開發全新的量子材料體系以實現變革性的器件應用已成為當前科技的研究熱點。二維材料作為一種重要的量子材料，兼具極限尺寸的物理厚度、完美的表界面、優異的物理性質，且體系豐富包含導體（石墨烯）、半導體（過渡金屬硫族化合物、黑磷等）和絕緣體（六方氮化硼），是潛在變革性技術應用所需要的核心基礎材料。規模化的高端器件應用必須基於大面積、高品質的單晶材料，因此二維單晶材料的製備研究具有重要的科學意義和技術價值。
利用單晶襯底外延製備大面積、高質量二維單晶材料一直是納米科技領域的熱點研究問題，但其具體實現卻面臨著巨大的挑戰。研究人員開發合適對稱性的單晶襯底是解決這一科學難題的關鍵。
實驗重大突破
2019年5月22日，《自然》雜誌在線發表題為“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystal hexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究論文，在國際上首次報道利用中心反演對稱性破缺的單晶銅襯底實現分米級二維單晶六方氮化硼的外延製備。該生長機制具有普適性，可推廣到其它二維材料大面積單晶的製備。
該文章利用對稱性破缺的襯底外延非中心反演對稱二維單晶的方法。該方法通過課題組專利保護的退火工藝將工業多晶銅箔轉化為僅有C1對稱性的Cu(110)小角度傾斜晶面，該晶面上具有獨特的Cu<211>臺階。利用六方氮化硼晶疇中硼型和氮型鋸齒形邊界與Cu<211>臺階耦合強度的差異打破正向與反向（180°轉角）六方氮化硼晶疇的能量簡併，從而實現取向單一的晶疇生長並無縫拼接為二維單晶薄膜。該方法可推廣至其它二維材料的大面積單晶製備，為二維材料的規模化高端器件應用奠定材料基礎。
二維單晶六方氮化硼的外延製備及其生長機理研究：
中國科學院物理研究所博士後王理、北京大學物理學院博士後徐小志、北京大學物理學院博士生喬瑞喜，韓國蔚山國立科技大學張磊寧為論文共同第一作者；北京大學物理學院教授劉開輝，韓國基礎科學研究所研究員丁峰、蘇黎世聯邦理工學院王竹君，中國科學院物理研究所研究員白雪冬為論文通訊作者。該研究由劉開輝課題組與合作者共同完成。
該工作也得到了專家學者的高度評價。
專家點評：
百平方釐米單層“白石墨烯”單晶的可控生長
中國科學技術大學宋禮教授
單層六方氮化硼，別名“white graphene”、“白石墨烯”，是一種由硼原子和氮原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維材料。相較於零能隙的石墨烯，白石墨烯是一種寬帶隙絕緣體，具有超平滑的表面和優異的介電特性，在微電子器件、激光器等領域具有廣泛的應用前景，特別是二維超薄單原子層器件上，與多種二維材料的融合後有望突破當前芯片高集成化的瓶頸。基於此目標，大面積高質量白石墨烯的可控生長一直是二維材料研究者們追求的目標之一。這一理想的二維單晶材料最近被北京大學、中科院物理研究所、韓國蔚山科技學院及合作單位的科學家們通過巧妙的熱處理基底工藝結合化學氣相生長方法所實現。以前，氣相法合成的單層六方氮化硼單晶尺寸僅僅可以達到1個毫米，現在這一新的生長技術藉助單晶銅基底表面鄰位臺階與氮化硼齒形邊緣耦合成功地消除了生長晶界，給了我們一個百平方釐米的二維單層單晶材料新體系。未來，這種可控合成技術的推廣將極大地激勵二維單層晶體的基礎科學研究，並推動眾多潛在應用的深度研發。
相關學術報告視頻
2019年5月17日，劉開輝教授在中國科學技術大學作了題為“米級二維單晶材料的生長及性質調控”的報告。報告中提到量子材料，包含拓撲材料、超導材料、二維材料等，是非常有望帶來顛覆性應用的新型材料。其中，劉開輝教授重點介紹了六方氮化硼外延生長，利用石墨烯狄拉克能帶結構調控二維界面載流子傳輸動力學。
六方氮化硼外延生長技術介紹短視頻
除此之外，劉開輝教授在報告中還詳細敘述了利用表面局域元素供應調控二維材料的生長速率、利用單晶金屬襯底週期勢調控米級二維單晶石墨烯等相關內容。詳情請掃描“蔻享學術”公眾號上此文二維碼觀看視頻
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劉開輝研究員
個人簡介
劉開輝，北京大學物理學院研究員、課題組長、博士生導師、基金委“優青”、國家重點研發計劃課題負責人。本科畢業於北京師範大學物理學系；博士畢業於中科院物理所；2009-2014在美國加州大學伯克利分校物理系從事博士後研究工作；2014年到北京大學物理學院工作。主要從事界面調控二維材料生長動力學和物性研究，在二維單晶材料超快生長設計、米級單晶薄膜材料製造方法、表界面耦合光譜學研究方向開展了系列工作。發表科研論文100餘篇，通訊/第一作者50餘篇包括Nature系列(正刊1篇，子刊10篇)、PNAS(2篇)、JACS(3篇)、Nano Letters(4篇)、Advanced Materials(7篇)；申請專利32項，授權10項。目前擔任Science Bulletin副主編，Nanotechnology、低溫物理學報編委，全國材料新技術發展研究會理事。曾獲北京市科學技術一等獎（2009）和三等獎（2017）、中國十大科技新銳人物（2016）、北京市優秀人才青年拔尖個人（2017）、納米之星”創新創業大賽團隊第一名（2017）等獎項。
