Vad gör något till en kristall? En genomskinlig och glittrig ädelsten? Inte nödvändigtvis, i den mikroskopiska världen. När alla dess atomer är ordnade i enlighet med specifika matematiska regler, vi kallar materialet en enkristall. Eftersom den naturliga världen har sin unika symmetri, t.ex., snöflingor eller bikakor, kristallernas atomvärld är designad av sina egna regler för struktur och symmetri. Denna materialstruktur har också en djupgående effekt på dess fysikaliska egenskaper. Specifikt, enkristaller spelar en viktig roll för att inducera ett materials inneboende egenskaper i dess fulla utsträckning. Inför det kommande slutet av miniatyriseringsprocessen som den kiselbaserade integrerade kretsen har tillåtit fram till denna punkt, stora ansträngningar har gjorts för att hitta en enda kristallin ersättning för kisel.

I sökandet efter framtidens transistor, tvådimensionella (2D) material, speciellt grafen, har varit föremål för intensiv forskning runt om i världen. Att vara tunn och flexibel som ett resultat av att bara vara ett enda lager av atomer, denna 2D-version av kol har till och med oöverträffad elektricitet och värmeledningsförmåga. Dock, det senaste decenniets ansträngningar för grafentransistorer har hållits uppe av fysiska begränsningar - grafen tillåter ingen kontroll över elflödet på grund av avsaknaden av bandgap. Dåså, hur är det med andra 2D-material? Ett antal intressanta 2D-material har rapporterats ha liknande eller till och med överlägsna egenskaper. Fortfarande, bristen på förståelse för att skapa ideala experimentella förhållanden för 2-D-material med stora ytor har begränsat deras maximala storlek till bara några millimeter.

Forskare vid Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) har presenterat en ny metod för att syntetisera i stor skala, kisel-wafer-storlek, enkristallina 2D-material. Prof. Feng Ding och Leining Zhang i samarbete med sina kollegor vid Peking University, Kina och andra institutioner har hittat ett substrat med en lägre symmetriordning än för ett 2-D-material som underlättar syntesen av enkristallina 2-D-material i ett stort område. "Det var viktigt att hitta den rätta balansen av rotationssymmetrier mellan ett substrat och ett 2D-material, " noterar prof. Feng Ding, en av motsvarande författare till denna studie. Forskarna syntetiserade framgångsrikt hBN-enkristaller på 10 x 10 cm ² genom att använda ett nytt substrat:en yta nära Cu(110) som har en lägre symmetri på (1) än hBN med (3).

Varför är symmetri viktig? Symmetri, i synnerhet rotationssymmetri, beskriver hur många gånger en viss form passar på sig själv under en hel rotation på 360 grader. Den mest effektiva metoden för att syntetisera storarea och enkristaller av 2D-material är att arrangera lager över lager av små enkristaller och odla dem på ett substrat. I denna epitaxiella tillväxt, det är ganska utmanande att se till att alla enkristallerna är inriktade i en enda riktning. Orienteringen av kristallerna påverkas ofta av det underliggande substratet. Genom teoretisk analys, IBS-forskarna fann att en hBN-ö (eller en grupp av hBN-atomer som bildar en enda triangelform) har två ekvivalenta linjer på Cu(111)-ytan som har en mycket hög symmetri på (6). "Det var en vanlig uppfattning att ett substrat med hög symmetri kan leda till tillväxt av material med hög symmetri. Det verkade logiskt intuitivt, men denna studie fann att det är felaktigt, säger Leining Zhang, studiens första författare.

Tidigare, olika substrat såsom Cu(111) har använts för att syntetisera enkristallint hBN i ett stort område, men ingen av dem lyckades. Varje ansträngning slutade med att hBN-öarna anpassade sig i flera olika riktningar på ytorna. Övertygad av det faktum att nyckeln för att uppnå enkelriktad inriktning är att minska symmetrin hos substratet, forskarna gjorde enorma ansträngningar för att erhålla vicinala ytor med Cu(110)-orientering; en yta som erhålls genom att skära en Cu(110) med en liten lutningsvinkel. Det är som att forma fysiska steg på Cu. Eftersom en hBN-ö tenderar att placeras parallellt med kanten av varje steg, den får bara en föredragen justering. Den lilla lutningsvinkeln sänker också ytans symmetri.

Forskarna fann så småningom att en klass av vicinala ytor av Cu (110) kan användas för att stödja tillväxten av hBN med perfekt inriktning. På ett noggrant utvalt substrat med lägst symmetri (eller så kommer ytan att upprepa sig först efter en 360 graders rotation), hBN har endast en föredragen inriktningsriktning. Forskargruppen till professor Kaihui Liu vid Peking University har utvecklat en unik metod för att härda en stor Cu-folie, upp till 10 x 10 cm ² , till en enda kristall med den vicinala Cu (110) ytan, och med det, de har uppnått syntesen av hBN-enkristaller av samma storlek.

Förutom flexibilitet och ultratunn tjocklek, framväxande 2D-material kan uppvisa extraordinära egenskaper när de förstoras som enkristaller. "Denna studie ger en allmän riktlinje för experimentell syntes av olika 2D-material. Förutom hBN, många andra 2D-material kan syntetiseras med enkristallina substrat med stor yta med låg symmetri, " säger prof. Feng Ding. Särskilt, hBN är den mest representativa 2D-isolatorn, som skiljer sig från de ledande 2D-materialen, som grafen, och 2-D halvledare, såsom molybdendisulfid (MoS ₂ ). Den vertikala staplingen av olika typer av 2D-material, såsom hBN, grafen och MoS ₂ , skulle leda till ett stort antal nya material med exceptionella egenskaper och kan användas för många applikationer, såsom högpresterande elektronik, sensorer, eller bärbar elektronik."