Шестиугольники гексагонального нитрида бора соединяются, образуя двумерный изолятор для электронных устройств следующего поколения.

Метод, позволяющий вырастить из полезного изоляционного материала исключительно высококачественные пленки толщиной всего в один атом, подходящие для промышленного производства, был разработан международной командой под руководством Сисяна Чжана из KAUST.

Работа опубликована в журнале Природные коммуникации.

Этот материал, называемый гексагональным нитридом бора (hBN), используется в полупроводниковых устройствах, а также может улучшить характеристики других двумерных (2D) материалов, таких как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD).

Исследователи могут комбинировать 2D-материалы для создания крошечных электронных компонентов для квантовых вычислений, электронных коммуникаций и других приложений. Хотя большинство 2D-материалов проводят электричество, hBN является одним из немногих изоляторов, что делает его незаменимым компонентом многих из этих устройств.

В лаборатории хлопья hBN часто отделяют от объемных образцов материала, что является трудоемким и ограничивающим размер подходом, который не подходит для массового производства. Альтернативно, промышленный процесс, называемый химическим осаждением из паровой фазы (CVD), может производить hBN путем разложения предшественника, называемого аммиачно-бораном.

Атомы бора и азота, высвободившиеся из прекурсора, затем образуют треугольные островки hBN на медной фольге, которые постепенно увеличиваются в размерах, пока не объединятся в сплошную сотовую решетку.

Команда улучшила этот процесс, вместо этого выращивая hBN из шестиугольных островков, производя пленку более высокого качества. «Шестиугольные островки имеют меньше дефектов, что делает конечный фильм более однородным и надежным», — говорит Чжан. Метод основан на добавлении небольшого количества кислорода в процессе роста.

Поскольку островки hBN растут на меди, их края могут представлять собой зигзаги атомов бора или азота. В треугольных островах все три края содержат атомы азота. Напротив, гексагональные островки, сформированные новым методом, имеют три края азота и три края бора.

Теоретические расчеты исследователей показывают, что края азота обычно более энергетически стабильны, чем края бора, что объясняет, почему во время CVD образуются треугольные островки. Но кислород взаимодействует с островками и медной фольгой таким образом, что краям азота и бора придается почти одинаковая стабильность. Это означает, что два типа ребер могут расти с одинаковой скоростью, что приводит к образованию шестиугольных островов.

Исследователи использовали такие методы, как атомно-силовая микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, для изучения островков и пленок, образованных их методом. Они обнаружили, что он создает монокристаллические пленки hBN, которые не содержат микроотверстий, имеют низкую плотность дефектов, имеют одинаковую толщину и обладают отличными изолирующими свойствами.

«Это делает его особенно подходящим для высокопроизводительных электронных устройств из 2D-материалов и обеспечивает повышенную надежность наноустройств», — говорит Бо Тиан, который был частью команды KAUST и сейчас работает в Наньянском технологическом университете в Сингапуре.

Команда использовала этот метод для выращивания пленки hBN размером 25 х 70 мм, и возможны большие площади. «Теперь этот процесс ограничен системой CVD или размером подложки, поэтому он пригоден для промышленного производства», — говорит Тиан.

В настоящее время исследователи более подробно изучают механизм CVD-роста hBN, чтобы еще больше улучшить качество и увеличить размер пленок, которые они могут производить.