密歇根大学的一个研究小组开发了第一个可靠的、可扩展的方法，用于在石墨烯上生长单层六方氮化硼，这一发现可以加速对下一代电子产品和LED器件的研究。
该工艺可通过广泛使用的分子束外延工艺生产出大片高质量的hBN，在《先进材料》的一项研究中有详细说明。
石墨烯-hBN结构可以为产生深紫外光的LED供电，这在今天的LED中是不可能的，密歇根大学电气工程和计算机科学教授，该研究的通讯作者Zetian Mi说。深紫外LED可以在各种设备（包括激光和空气净化器）中驱动更小的尺寸和更高的效率。
“今天用于产生深紫外光的技术是汞氙灯，它们很热，笨重，效率低下，并且含有有毒物质，”Mi说。“如果我们可以用LED产生这种光，我们就可以看到紫外线设备的效率革命，类似于我们当LED灯泡取代白炽灯时所看到的那样。
六方氮化硼是世界上最薄的绝缘体，而石墨烯是一类称为半金属的材料中最薄的，这些材料具有高度延展的电性能，并且对于它们在计算机和其他电子产品中的作用非常重要。
将hBN和石墨烯结合在光滑的单原子厚层中，释放出奇异特性的宝库。除了深紫外LED之外，石墨烯-hBN结构还可以实现量子计算设备，更小，更高效的电子学和光电子学以及各种其他应用。
“研究人员多年来一直知道hBN的性质，但在过去，获得研究所需的薄片的唯一方法是从较大的氮化硼晶体中物理剥离，这是劳动密集型的，只产生微小的薄片材料，”Mi说。“我们的过程可以种植基本上任何尺寸的原子尺度薄片，这开辟了许多令人兴奋的新研究可能性。
由于石墨烯和hBN非常薄，它们可用于制造比现在更小，更节能的电子设备。hBN和石墨烯的分层结构也可以表现出奇特的特性，这些特性可以将信息存储在量子计算设备中，例如从导体切换到绝缘体或支持异常电子自旋的能力。
虽然研究人员过去曾尝试使用溅射和化学气相沉积等方法合成hBN的薄层，但他们很难获得与石墨烯层正确结合所需的均匀，精确有序的原子层。
“为了获得有用的产品，你需要一致，有序的hBN原子行，这些原子与下面的石墨烯对齐，而以前的努力无法实现这一目标，”电气工程和计算机科学博士后研究员Ping Wang说。“一些hBN整齐地下降，但许多区域是无序的，随机对齐的。
该团队由电气工程和计算机科学，材料科学与工程以及物理研究人员组成，发现整齐的hBN原子在高温下比不需要的锯齿状地层更稳定。有了这些知识，Wang开始尝试分子束外延，这是一种工业过程，相当于将单个原子喷洒到基板上。
Wang使用梯田石墨烯基板 – 本质上是一个原子级楼梯 – 并将其加热到1600摄氏度左右，然后喷洒在单个硼和活性氮原子上。结果远远超出了团队的预期，在石墨烯的梯形边缘上形成了整齐有序的hBN接缝，并扩展到宽阔的材料带中。
“多年来，尝试大量原始hBN是一个遥远的梦想，但这一发现改变了这一点，”Mi说。“这是迈向2D量子结构商业化的一大步。
如果没有来自不同学科的合作，这一结果是不可能的。支撑一些工作的数学理论涉及来自密歇根大学和耶鲁大学的电气工程和计算机科学以及材料科学与工程的研究人员。
Mi的实验室开发了这一过程，合成了这种材料，并表征了它与光的相互作用。然后，密歇根大学的材料科学家和工程师以及俄亥俄州立大学的合作者详细研究了其结构和电气特性。
密歇根大学材料科学与工程副教授Emmanouil Kioupakis和俄勒冈州立大学物理学教授Jay Gupta也是该论文的通讯作者。
该研究得到了密歇根州工程蓝天计划，陆军研究办公室，国家科学基金会，美国能源部和W.M凯克基金会的支持。
来源：
Materials provided by University of Michigan. Original written by Gabe Cherry. Note: Content may be edited for style and length.
期刊参考：
Ping Wang, Woncheol Lee, Joseph P. Corbett, William H. Koll, Nguyen M. Vu, David Arto Laleyan, Qiannan Wen, Yuanpeng Wu, Ayush Pandey, Jiseok Gim, Ding Wang, Diana Y. Qiu, Robert Hovden, Mackillo Kira, John T. Heron, Jay A. Gupta, Emmanouil Kioupakis, Zetian Mi. Scalable Synthesis of Monolayer Hexagonal Boron Nitride on Graphene with Giant Bandgap Renormalization. Advanced Materials, 2022; 2201387 DOI: 10.1002/adma.202201387
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