由于二维(2D)材料具有更小的尺寸、更快的响应速度和更加优越的电学性能，基于全二维材料的器件可能会在未来的半导体工业中带来新的应用。一个器件的基本单元由导体、半导体和绝缘体组成。理想情况下，所有这些材料都应该是单晶，从而最大限度地提高器件的性能和均匀性。因此，在过去的十几年中，人们在制备单晶二维导体、半导体和绝缘体方面做了大量的努力，并取得了很大的进展。典型的二维导体石墨烯、半导体过渡金属二硫化物(TMDs)和绝缘体六方氮化硼(hBN)的尺寸已从微米级提高到晶圆级。

对于二维材料的实际器件应用，直接在绝缘衬底上生长可以避免由于转移导致的破损和污染。但是，由于绝缘衬底没有催化作用，无法促进前驱体源的分解。因此，对于氮化硼和石墨烯这类需要催化剂参与生长的材料，在绝缘衬底上的制造一直以来是一个巨大的挑战，目前尚未实现在绝缘衬底上制备单晶氮化硼材料。

鉴于此，华南师范大学徐小志教授与北京大学刘开辉教授合作，提出了一种利用分子间相互作用调控二维材料在绝缘衬底上制造的新机制，实现了单层单晶六方氮化硼和石墨烯薄膜的通用制备。其原理是利用铜箔在高温下紧贴绝缘衬底，并将铜箔表面的单晶氮化硼/石墨烯薄膜挤压到绝缘衬底上（间距约为0.3 nm），在该尺度下，氮化硼/石墨烯和铜箔之间会有很强的相互吸引力，直接去除铜箔后就可以留下完整的氮化硼/石墨烯薄膜。该方法对于衬底的种类和单晶性均没有要求，可以实现在各种常见耐高温衬底上的制造。

图1.铜箔与二氧化硅衬底之间的间距随温度升高而变化。a，氮化硼与氧化硅衬底之间的范德华力随着间距变化的关系图。b，hBN/SiO₂间距分别在0.8 nm和0.33 nm时的电荷密度差分图。c，铜箔和二氧化硅基底之间的间距随温度升高而变化的示意图。d-e，在室温（d）和1080 ℃（e）下退火的Cu/SiO₂横截面的典型光学图像。f，在1087 ℃下退火的Cu/SiO₂的横截面HRTEM图像。

该研究通过理论计算探究了氮化硼和衬底之间的范德华（vdW）相互作用与间距的关系，当间距大于0.8 nm时，vdW力几乎消失。随着间距的减小（0.33     <r<0.8nm），吸引力逐渐增大，然后迅速减小到零，这促使hBN sio< span>₂更加靠近，直到达到约0.33nm的平衡距离。当我们二氧化硅衬底上自然放置一个hBN材料时，其相互作用非常微弱，因为此时间距远远大于0.8 nm。如果有办法将这个距离减小到0.8 nm以下，那么hBN和衬底之间就会产生很强的吸引力，从而紧贴在绝缘衬底上。受印章工艺的启发，研究组提出了一种温度调控氮化硼和衬底间距的新思路。通常，室温下铜箔与二氧化硅之间的距离约为120 µm。当温度升高到~1080 ℃时，铜箔变软，距离减小到~20 µm。当温度继续升高接近熔点时，铜箔会进一步软化并紧贴基底，此时间距约为0.3 nm。    </r<0.8nm），吸引力逐渐增大，然后迅速减小到零，这促使hBN>

图2.在二氧化硅衬底上制造单向排列的氮化硼。a，生长过程示意图。b，SiO₂/BN/Cu夹层结构的光学图像。c，SiO₂/BN/Cu的放大光学图像。d，去除铜箔后二氧化硅上生长的hBN岛的光学图像。e，hBN晶绸的SHG成像。

利用铜箔和二氧化硅之间的间距从~120 µm到原子尺度的演变，我们可以调整生长在铜箔背面上的氮化硼和二氧化硅衬底之间的距离。首先，hBN正常温度生长，通过单向排列岛的无缝拼接在近邻Cu(110)下表面生长出单晶的hBN。之后，进一步升高温度，Cu/hBN/SiO₂夹层结构于稳定，每个界面之间都会保持强的吸引力，之后去除铜箔，获得完整的hBN薄膜。为了验证这种"一步生长和转移"的设计，我们首先在二氧化硅（001）基底上制备了hBN独立畴。然后通过延长生长时间制备出了英寸大小的单晶hBN薄膜，并通过一系列表征验证了用我们方法制备的单层hBN的高质量、高均匀性和高洁净度。

图3，在二氧化硅基底上制造的单层单晶hBN薄膜。a，生长后的hBN样品的光学图像。b，放大的光学图像。c，hBN样品的拉曼光谱。d，制备的hBN的E_2g峰位和半高宽的统计分布。e，hBN样品的XPS光谱。f-g，分别为通过类印章法（f）和转移法（g）生长的hBN薄膜的原子力显微镜图像。h,（f）和（g）的高度分布图。

为了进一步检验合成的石墨烯和hBN的质量，我们对样品进行了电学和介电性质测量。对于石墨烯的输运性能，制造了八个场效应晶体管（FET）器件，其载流子迁移率分布非常均匀，室温下的平均值为~9100 cm²V^-1s^-1（图4a-c），与在Cu上生长的石墨烯相当，相比之下，转移石墨烯的载流子迁移率在1200至7600 cm²V^-1s^-1（平均值~5100 cm²V^-1s^-1）的范围内变化很大。对于介电性质，在铜和蓝宝石衬底上生长的hBN样品全部转移到镀金的SiO₂/Si衬底上，并用导电原子力显微镜（CAFM）测量。典型的击穿电流-电压（I-V）曲线显示了具有强烈非线性电流起始的电容器的特性（图4d-e），表明蓝宝石上生长的hBN样品的质量与在Cu上生长的样品相当。研究组还用扫描电容显微镜（SCM）计算了hBN样品的介电常数，平均值为3.62，与之前的理论和实验数据一致。

图4，石墨烯和hBN单层的电学和介电特性。a，FET器件的典型光学图像。b，石墨烯的电导与栅极电压的函数关系图。c，在二氧化硅/硅衬底上生长的石墨烯和转移的石墨烯的载流子迁移率。d，hBN样品和CAFM的电学连接示意图。e，在铜和Al₂O₃基底上生长的转移hBN样品的电流-电压特性。f，扫面电容显微镜测试的hBN样品介电常数的统计分布。

总之，这项工作证明了在各种绝缘衬底上制造英寸大小单晶hBN和石墨烯薄膜的类印章技术的通用性。考虑到最近已经实现了2英寸单晶2D半导体TMD在蓝宝石衬底上的可控生长，因此在绝缘衬底上直接生产2D导体，半导体和绝缘体已经初步实现。该研究结果将有望推动全单晶2D材料器件的制造和应用。

参考文献：

fankai Zeng et al. Stamped production of single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on various insulating substrates. Nat. Commun. 14, 6421 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42270-x