材料学院刘磊课题组在六方氮化硼材料的制备及其同位素效应研究中取得系列进展

六方氮化硼（h-BN）材料具有超高热导和电绝缘性、独特的光电性能、热稳定性和化学惰性，在超高导热、紫外光源及探测等领域有很大的应用潜力。近年来，h-BN中的同位素效应吸引了越来越多研究者的兴趣。天然的h-BN中，硼元素由2种稳定的同位素（10B和11B）构成，天然占比分别为19.9 %和80.1 %；氮元素由2种稳定的同位素（14N和15N）构成，天然占比分别为99.6 %和0.4 %。同位素特别是B同位素紊乱将影响h-BN的众多物理性质，比如造成额外的声子散射而影响热导率。通过同位素工程，可以得到纯化后的h-10BN和h-11BN，其室温热导率提高约40%，声子极化子寿命也提高一个数量级。此外，10B同位素具有非常大的热中子捕获截面，基于10B富集（99.9％）h-BN的中子探测器是迄今为止固态探测器中探测效率最高（51.4％）的，有望替代3He管中子探测器。从基础研究的角度出发，h-BN是广泛采用的二维材料器件衬底材料；B同位素纯化可以调整h-BN的电子密度分布及层间范德华(vdW)相互作用。h-BN中的同位素工程，有望成为调控二维材料异质结性质的一个新的自由度。

基于以上研究背景，北京大学材料科学与工程学院刘磊研究员课题组结合高温化学气相沉积和单质金属助熔剂法，制备出高质量、大尺寸h-BN单晶（最大晶畴尺寸~ 0.5 mm）以及厘米级连续薄膜，进一步实现了h-BN材料中硼同位素的精准调控，揭示了同位素纯化后的超高热导（830 W m-1 K-1）。这一生长技术的突破，对基于h-BN的高热导应用、固态中子探测、二维材料物理及器件研究等方面具有重要意义。