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。

图1 (a) h-BN晶体的光学显微镜照片，（b）h-BN薄膜的照片。

基于以上研究背景，公司刘磊课题组结合高温化学气相沉积和单质金属助熔剂法，成功制备出高质量、大尺寸h-BN单晶（最大晶畴尺寸~0.5mm）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^-1K^-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。该研究成果已在《Nanoscale》（2021, 13, 11223）上发表。

图2 (a) WS₂/h-BN异质结中层间EPC的多级调控示意图；(b)激发光子与WS₂中B激子共振时异质结的拉曼光谱；(c)单层WS₂/6层h-BN异质结构的声子色散谱；(d)温度对异质结EPC信号强度的调控；(e) EPC的高压调控。

近日，刘磊课题组与公司物理学院李新征课题组合作，在WS₂/h-BN异质结中，利用同位素、温度和压力等外场对异质结中的层间电子-声子耦合（EPC）实现多级调控，首次揭示了vdW异质结光学性质的同位素依赖性和异质结层间距的重要性。第一性原理计算理论发现，WS₂/h-BN形成的超胞可以诱导布里渊区能带折叠，和实验上观测到的EPC拉曼峰展宽一致。在同位素vdW异质结中观测到的超精细同位素效应，提示了超越EPC的电偶极（激子）-电偶极（声子）相互作用的经典图像理解，启发了关于vdW异质结中的界面EPC的复杂性和新颖性。进一步通过系列的温度和压力调控层间距，实现了EPC的强度调控，并使其具有开/关能力。该工作为未来设计具有可控层间耦合的vdW异质结提供了新的思路。

相关研究成果发表于《Nano Letters》 （DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04598），公司博士生李贻非和张小伟（现为华盛顿大学博士后）是该论文的共同第一作者，刘磊研究员和李新征教授为共同通讯作者，合作者包括中国科学院物理研究所于晓辉研究员、国家纳米中心戴庆研究员、北京理工大学黄元教授、美国橡树岭国家实验室梁亮波博士等。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、公司电子显微镜实验室和公司高性能计算平台等支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04598

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr02408f