在纳米材料领域，六方氮化硼（hBN）作为一种由交替的六边形硼（B）和氮（N）原子层通过范德华力相互作用构成的原子级平坦材料，因其独特的绝缘性能，在基础科学和技术领域扮演着重要角色。hBN可作为电荷涨落平台、接触电阻层、栅极电介质、钝化层、库仑拖拽层及原子隧穿层等。然而，尽管微米尺寸的hBN晶粒已广泛应用于基础研究，但用于实际应用的晶圆级单晶hBN（SC-hBN）薄膜却尚未实现。传统的多晶hBN（PC-hBN）薄膜由于晶界和缺陷导致的电荷散射和陷阱位点，阻碍了其在高性能电子器件中的应用。因此，开发一种合成晶圆级单晶hBN薄膜的方法显得尤为重要。

本研究提出了一种通过自准直晶粒形成来合成晶圆级单晶hBN薄膜的方法。具体方案如下：

1. 基底准备
   选择高熔点的钨（W）箔作为基底，并在其上覆盖一层液态金（Au），利用Au在高温下（约1100°C）保持液态且锚定在固态W箔上的特性，提供一个平坦且高表面张力的液态表面。
2. 前驱体引入
   在液态Au表面引入硼嗪（B3N3H6）作为硼和氮的前驱体。由于B和N原子在液态Au中的溶解度极低（约0.5%和0%），这确保了B和N原子在液态Au表面的高扩散性，而非体相扩散。
3. 晶粒生长与自准直
   在初始生长阶段（约30秒），形成直径从几微米到约14.0微米的圆形hBN晶粒。随着生长时间的延长（10分钟），晶粒尺寸增加至约14.5微米，并由于B和N边缘之间的静电相互作用，晶粒通过自准直机制紧密排列，形成无晶界的单晶hBN薄膜。
4. 两步生长法
   为了实现晶圆级全覆盖的单晶hBN薄膜，采用两步生长法：^步在固定前驱体流量下生长较长时间（如90分钟），但此时由于纳米孔的存在，hBN晶粒并未完全合并；第二步通过增加生长时间和前驱体流量，实现晶圆级全覆盖的单晶hBN薄膜。

结果与讨论

图1展示了单晶hBN薄膜的合成示意图及生长过程中的扫描电子显微镜（SEM）图像。图1A示意了通过自准直圆形hBN晶粒合成SC-hBN薄膜的过程，其中液态Au作为催化剂，硼嗪作为前驱体。在高温下，B和N原子在液态Au表面高扩散，形成圆形hBN晶粒，并通过B和N边缘之间的静电相互作用实现自准直，最终形成无晶界的SC-hBN薄膜。图1C展示了不同生长时间下的SEM图像，从初始的不规则分布圆形晶粒，到生长10分钟后尺寸均匀且线性排列的晶粒，再到生长30分钟后形成六方紧密堆积结构，直至最终通过两步生长法实现晶圆级全覆盖的SC-hBN薄膜。图1D则量化了晶粒尺寸和覆盖率随生长时间的变化，显示晶粒尺寸在5分钟内迅速增加至饱和值约14.5微米，而覆盖率则在60分钟内逐渐增加至全覆盖。

图2通过多种技术手段对单晶hBN薄膜的原子结构进行了详细表征。图2A展示了转移至透射电子显微镜（TEM）网格上的SC-hBN薄膜的TEM图像，并将其分为九个区域进行进一步分析。图2B显示了单层SC-hBN薄膜的折叠边缘，验证了其单层特性。图2C的高分辨率TEM图像清晰展示了hBN的六边形B和N原子排列，插图中的快速傅里叶变换（FFT）斑点进一步确认了其六方结构。图2D和E的像差校正暗场TEM图像及强度剖面图区分了B和N原子，N原子显示出更高的强度。图2F通过垂直堆叠的九个区域的选区电子衍射（SAED）图案，展示了相同旋转角度的六个六边形斑点，证明了大面积内hBN薄膜的单晶性。图2G和H则分别通过液晶辅助偏光显微镜（POM）和低能电子衍射（LEED）技术，进一步验证了SC-hBN薄膜在大面积范围内的单晶特性。

图3展示了在SC-hBN薄膜上直接生长垂直单晶石墨烯/hBN异质结构（SC-Gr/hBN）和单晶二硫化钨（SC-WS2）薄膜的结果。图3A示意了在SC-hBN薄膜上直接生长共格外延石墨烯的过程。图3B和C的SEM图像分别展示了生长在SC-Gr/hBN薄膜上的六边形石墨烯域和大面积SC-Gr/hBN薄膜，其中六边形石墨烯域呈现出对齐的取向。图3D的拉曼光谱验证了石墨烯/hBN异质结构的成功合成，而图3E的SAED图案则证明了石墨烯和hBN之间的AA'堆叠结构。图3F和G展示了石墨烯/hBN异质结构的摩尔条纹图案及其模拟图案，进一步确认了异质结构的成功合成。图3H则展示了生长在SC-hBN薄膜上的三角形WS2域和大面积单层WS2薄膜的SEM图像及LEED图案，证明了SC-hBN薄膜作为过渡金属二硫化物生长基底的普适性。

图4展示了晶圆级单晶hBN薄膜作为金属氧化保护层和气体扩散屏障的应用效果。图4A、F和K分别展示了覆盖有SC-hBN、PC-hBN和裸露铜箔在300°C空气中氧化前的SEM图像，而图4B、G和L则展示了氧化后的SEM图像。结果显示，覆盖有SC-hBN薄膜的铜箔表面未发生明显变化，而PC-hBN覆盖和裸露的铜箔表面则严重氧化。图4C、H和M的光学图像及对应的XPS映射图像进一步验证了SC-hBN薄膜对铜氧化的有效抑制作用。图4D、I和N的XPS映射图像显示了CuO峰的强度分布，SC-hBN样品显示出极低的CuO峰强度。图4E、J和O的代表性Cu 2p核心水平光谱则直接证明了SC-hBN样品中CuO峰的缺失。图4P和Q示意了水蒸气传输率（WVTR）测量的实验装置和照片，而图4R则量化了PET、PC-hBN和SC-hBN样品的水蒸气传输率，结果显示SC-hBN薄膜的水蒸气传输率^，表现出优异的气体扩散屏障性能。