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材料學(xué)院劉磊課題組在六方氮化硼材料的制備及其同位素效應(yīng)研究中取得系列進(jìn)展

日期:2022-04-14 來源:材料科學(xué)與工程學(xué)院

六方氮化硼(h-BN)材料具有超高熱導(dǎo)和電絕緣性、獨(dú)特的光電性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性,在超高導(dǎo)熱、紫外光源及探測(cè)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。近年來,h-BN中的同位素效應(yīng)吸引了越來越多研究者的興趣。天然的h-BN中,硼元素由2種穩(wěn)定的同位素(10B和11B)構(gòu)成,天然占比分別為19.9 %和80.1 %;氮元素由2種穩(wěn)定的同位素(14N和15N)構(gòu)成,天然占比分別為99.6 %和0.4 %。同位素特別是B同位素紊亂將影響h-BN的眾多物理性質(zhì),比如造成額外的聲子散射而影響熱導(dǎo)率。通過同位素工程,可以得到純化后的h-10BN和h-11BN,其室溫?zé)釋?dǎo)率提高約40%,聲子極化子壽命也提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,10B同位素具有非常大的熱中子捕獲截面,基于10B富集(99.9%)h-BN的中子探測(cè)器是迄今為止固態(tài)探測(cè)器中探測(cè)效率最高(51.4%)的,有望替代3He管中子探測(cè)器。從基礎(chǔ)研究的角度出發(fā),h-BN是廣泛采用的二維材料器件襯底材料;B同位素純化可以調(diào)整h-BN的電子密度分布及層間范德華(vdW)相互作用。h-BN中的同位素工程,有望成為調(diào)控二維材料異質(zhì)結(jié)性質(zhì)的一個(gè)新的自由度。


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圖1 (a) h-BN晶體的光學(xué)顯微鏡照片,(b)h-BN薄膜的照片

基于以上研究背景,北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉磊研究員課題組結(jié)合高溫化學(xué)氣相沉積和單質(zhì)金屬助熔劑法,制備出高質(zhì)量、大尺寸h-BN單晶(最大晶疇尺寸~ 0.5 mm)以及厘米級(jí)連續(xù)薄膜,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了h-BN材料中硼同位素的精準(zhǔn)調(diào)控,揭示了同位素純化后的超高熱導(dǎo)(830 W m-1 K-1)。這一生長(zhǎng)技術(shù)的突破,對(duì)基于h-BN的高熱導(dǎo)應(yīng)用、固態(tài)中子探測(cè)、二維材料物理及器件研究等方面具有重要意義。該研究成果已在Nanoscale(2021, 13, 11223)發(fā)表。

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 圖2 (a) WS2/h-BN異質(zhì)結(jié)中層間EPC的多級(jí)調(diào)控示意圖;(b) 激發(fā)光子與WS2中B激子共振時(shí)異質(zhì)結(jié)的拉曼光譜;(c) 單層WS2/6層h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的聲子色散譜;(d) 溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)EPC信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)控;(e) EPC的高壓調(diào)控

近日,劉磊課題組與北京大學(xué)物理學(xué)院李新征教授課題組合作,在WS2/h-BN異質(zhì)結(jié)中,利用同位素、溫度和壓力等外場(chǎng)對(duì)異質(zhì)結(jié)中的層間電子-聲子耦合(EPC)實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)控,首次揭示了vdW異質(zhì)結(jié)光學(xué)性質(zhì)的同位素依賴性和異質(zhì)結(jié)層間距的重要性。第一性原理計(jì)算理論發(fā)現(xiàn),WS2/h-BN形成的超胞可以誘導(dǎo)布里淵區(qū)能帶折疊,和實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的EPC拉曼峰展寬一致。在同位素vdW異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到的超精細(xì)同位素效應(yīng),提示了超越EPC的電偶極(激子)-電偶極(聲子)相互作用的經(jīng)典圖像理解,啟發(fā)了關(guān)于vdW異質(zhì)結(jié)中的界面EPC的復(fù)雜性和新穎性。他們進(jìn)一步通過系列的溫度和壓力調(diào)控層間距,實(shí)現(xiàn)了EPC的強(qiáng)度調(diào)控,并使其具有開/關(guān)能力。該工作為未來設(shè)計(jì)具有可控層間耦合的vdW異質(zhì)結(jié)提供了新的思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表于Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04598),北京大學(xué)博士生李貽非和張小偉(現(xiàn)為華盛頓大學(xué)博士后)是該論文的共同第一作者,劉磊和李新征為共同通訊作者,合作者包括中國(guó)科學(xué)院物理研究所于曉輝研究員、國(guó)家納米中心戴慶研究員、北京理工大學(xué)黃元教授、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室梁亮波博士等。

上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)等支持。

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