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氮化硼“黑金”与“白石墨”的联姻

相对于人类文明几千年的存在,极薄的二维材料——石墨烯被发现的历史无疑是短暂的,但其奇妙的物理特性吸引了全世界科研人员的目光。自2004年曼彻斯特大学的安德烈.海姆小组制备出单层石墨烯以来,石墨烯的一系列独特特性不断被人们发现,如极高的载流子迁移率——理论值达100万平方厘米 · 伏 ^ -1 · 秒 ^ -1(cm ^ 2·V ^ -1·s ^ -1)、反常量子霍尔效应、室温量子霍尔效应、零质量狄拉克费米子行为,以及超高的机械强度和热导率、优异的透光性和导电性、超高的比表面积等。这些优异的性能使得石墨烯在微电子、传感器和生物医学等领域具有广阔的应用前景,因而石墨烯也被称为“黑金”。如今,石墨烯等二维材料与器件的研发竞争日趋激烈,国际半导体技术路线图已经将石墨烯等二维材料列为有望延续摩尔定律的新材料,广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。未来,由二维晶体构成的二维纳米电子器件有望给微电子技术带来突破性的变革,甚至有可能动摇占据集成电路主导地位半个世纪的硅基微电子器件的地位,并广泛应用于人们的日常生活中。
        以石墨烯为代表的二维材料在替代传统半导体材料走向微电子领域、应用于大规模集成电路制造的过程中充满了机遇,同时也面临着许多亟需解决的重大科学难题。例如石墨烯微电子器件的制备和应用需要较高的载流子迁移率、合适的带隙、较低的晶内缺陷、平整的表面、较小的电荷杂质浓度、均匀的介质覆盖等。面对以上难题,六方氮化硼(h-BN)是目前最具潜力的一种石墨烯器件绝缘基底。六方氮化硼体材料与石墨是等电子体,具有与其相似的层状结构,外观色白,俗称“白石墨”。其具有与石墨烯相同的层状六边形平面结构,具有原子级的平整表面,在(0001)面上没有悬挂键,与石墨烯的晶格失配仅为1.8%,掺杂效应弱,能够最大限度地保持石墨烯的本征物理性质。有报道称,将石墨烯转移到六方氮化硼基底上后,测得的电子迁移率比在二氧化硅表面获得的结果提高了一个数量级。但目前利用化学气相沉积法制备的六方氮化硼薄膜大多为小晶畴组成的单层,大面积均匀多层氮化硼薄膜的制备技术仍然没有取得突破。
        针对以上科学问题,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队围绕“黑金”石墨烯和“白石墨”六方氮化硼材料异质结构与器件应用展开了研究领域,取得了一系列意义重大的研究进展。 
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