六方氮化硼（h-BN）材料具有超高熱導和電絕緣性、獨特的光電性能、熱穩定性和化學惰性，在超高導熱、紫外光源及探測等領域有很大的應用潛力。近年來，h-BN中的同位素效應吸引了越來越多研究者的興趣。
天然的h-BN中，硼元素由2種穩定的同位素（10B和11B）構成，天然占比分別為19.9 %和80.1 %；氮元素由2種穩定的同位素（14N和15N）構成，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，比如造成額外的聲子散射而影響熱導率。通過同位素工程，可以得到純化后的h-10BN和h-11BN，其室溫熱導率提高約40%，聲子極化子壽命也提高一個數量級。
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的中子探測器是迄今為止固態探測器中探測效率最高（51.4％）的，有望替代3He管中子探測器。從基礎研究的角度出發，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，有望成為調控二維材料異質結性質的一個新的自由度。
圖1 (a) h-BN晶體的光學顯微鏡照片，（b）h-BN薄膜的照片
基于以上研究背景，北京大學材料科學與工程學院劉磊研究員課題組結合高溫化學氣相沉積和單質金屬助熔劑法，制備出高質量、大尺寸h-BN單晶（最大晶疇尺寸~ 0.5 mm）以及厘米級連續薄膜，進一步實現了h-BN材料中硼同位素的精準調控，揭示了同位素純化后的超高熱導（830 W m-1 K-1）。這一生長技術的突破，對基于h-BN的高熱導應用、固態中子探測、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）發表。
圖2 (a) WS2/h-BN異質結中層間EPC的多級調控示意圖；(b) 激發光子與WS2中B激子共振時異質結的拉曼光譜；(c) 單層WS2/6層h-BN異質結構的聲子色散譜；(d) 溫度對異質結EPC信號強度的調控；(e) EPC的高壓調控
近日，劉磊課題組與北京大學物理學院李新征教授課題組合作，在WS2/h-BN異質結中，利用同位素、溫度和壓力等外場對異質結中的層間電子-聲子耦合（EPC）實現多級調控，首次揭示了vdW異質結光學性質的同位素依賴性和異質結層間距的重要性。
第一性原理計算理論發現，WS2/h-BN形成的超胞可以誘導布里淵區能帶折疊，和實驗上觀測到的EPC拉曼峰展寬一致。在同位素vdW異質結中觀測到的超精細同位素效應，提示了超越EPC的電偶極（激子）-電偶極（聲子）相互作用的經典圖像理解，啟發了關于vdW異質結中的界面EPC的復雜性和新穎性。他們進一步通過系列的溫度和壓力調控層間距，實現了EPC的強度調控，并使其具有開/關能力。該工作為未來設計具有可控層間耦合的vdW異質結提供了新的思路。
相關研究成果發表于Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04598），北京大學博士生李貽非和張小偉（現為華盛頓大學博士后）是該論文的共同第一作者，劉磊和李新征為共同通訊作者，合作者包括中國科學院物理研究所于曉輝研究員、國家納米中心戴慶研究員、北京理工大學黃元教授、美國橡樹嶺國家實驗室梁亮波博士等。
上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、北京大學電子顯微鏡實驗室和北京大學高性能計算平臺等支持。
來源：北京大學新聞網
