Китайські фізики виростили квадратний лист почесного гексагонального нітриду бору площею близько ста квадратних сантиметрів, що майже в тисячу разів більше попереднього рекорду. Для цього вчені нарощували на мідній фользі сходинки, а потім облагали на ній пари боразана. Крім того, запропонований авторами метод легко можна адаптувати для вирощування інших почесних кристалів. Стаття опублікована в, препринт роботи викладено на сайті arxiv.org.
Відтоді, як Андрій Гейм і Костянтин Новоселов отримали графен, фізики не припиняють досліджувати почесні матеріали і розробляти почесні електронні пристрої. Порівняно зі звичайними електронними приладами на основі оксиду кремнію почесні електронні пристрої мають низку переваг - вони менші, швидші і функціональніші. В даний час такі матеріали вже використовуються в електроніці, оптоелектроніці та фотовольтаїці. Втім, щоб поширити ці досягнення на промислові масштаби, потрібно навчитися швидко вирощувати великі почесні кристали, що заміщають звичні електронні компоненти - провідники, напівпровідники та ізолятори. Поки що вчені розробили такі методи тільки для невеликого числа матеріалів.
Зокрема, досі фізики не вміють вирощувати великі площі почесного гексагонального нітриду бору («білого графена»). Завдяки стабільності, плоскій поверхні і широкій забороненій зоні деякі фізики називають цей матеріал найкращим почесним ізолятором. На жаль, типовий розмір пластівців «білого графена» не перевищує одного міліметра. В основному такий малий розмір пояснюється особливостями зростання кристала. З одного боку, через надмірну нуклеацію неможливий сценарій, в якому окремий домен виростає у великий монокристал. З іншого боку, через потрійну симетрію решітки домени нітрида бора часто повернуті в різні боки, а тому нездатні склеїтися в однорідний кристал. Принаймні, ці проблеми супроводжують зростання нітриду бору на більшості субстратів.
Однак група фізиків під керівництвом Лі Вана (Li Wang) придумала, як можна позбутися цих проблем, і виростила почесний кристал «білого графена» розміром 10 ст.110 сантиметрів. Це майже в тисячу разів більше попереднього рекорду. Щоб домогтися такого вражаючого результату, дослідники адаптували метод епітаксіального нарощування графена на фользі міді (111) (за допомогою нього вони два роки тому виростили аркуш графена розміром 5 50 сантиметрів). Сам по собі цей матеріал не дуже підходить для вирощування нітриду бору: він володіє занадто високою симетрією, через яку виростаючі домени нітриду бору маю різну орієнтацію. Щоб знизити цю симетрію, дослідники протягом десяти хвилин випалювали фольгу при температурі 1060 градусів Цельсія (при цій температурі мідь починала плавитися), а потім ще три години гріли її при температурі 1040 градусів. У результаті на її поверхні утворилися сходинки, які знижували ступінь симетрії поверхні і змушували домени бору орієнтуватися в один і той самий бік. Освіту сходинок вчені контролювали за допомогою рентгеноструктурного аналізу, тобто просвічували фольгу рентгеном і вимірювали положення дифракційних піків.
Щоб наростити на фользі плівку з «білого графена», дослідники поміщали над нею тигель з оксиду алюмінію, заповнювали його боразаном H3B-NH3 і розігрівали до температури 1035 градусів Цельсія. Як тільки тигель прогрівався, вчені знижували тиск газу до 0,002 атмосфери і продували його сумішшю аргону і водню. Приблизно після години синтезу на поверхні фольги виникали окремі домени нітриду бору, а ще через дві години домени зливалися в суцільний кістал. За зростанням кристала вчені стежили за допомогою рентгенівської, раманівської та абсорбційної спектроскопії, а також за допомогою атомного силового і мікроскопа і просвічуючого растрового електронного мікроскопа. Всі ці методи підтвердили, що вирощений акціонерний кристал є кристалом гексагонального нітриду бору. Більше того, вимірювання показали, що зростання домену завжди починалося біля підніжжя сходинки, завдяки чому 99,5 відсотків доменів були орієнтовані в один бік. Таким чином, кристал «білого графена» виходив однорідним.
Нарешті, щоб пояснити, чому домени шикуються вздовж сходинок, вчені чисельно розрахували енергію зв'язку сходинки і краю домену гексагонального бору. Для цього фізики використовували теорію функціоналу щільності. Як і очікувалося, розрахунки показали, що домену найбільш вигідно орієнтуватися вздовж напрямку < 221 > в кристалі міді. Незначні ж відхилення від цього правила вчені пояснюють дефектами сходинок.
Автори статті вважають, що в майбутньому розроблений ними метод можна буде адаптувати для вирощування інших почесних кристалів, що володіють зниженою симетрією - наприклад, дихалькогенідів перехідних металів. Це, в свою чергу, здешевить виробництво акціонерних пристроїв.
Фізики часто використовують почесний гексагональний нітрид бора в якості допоміжного матеріалу при проведенні інших експериментів. Наприклад, у серпні 2015 року дослідники з лабораторії Андрія Гейма в Університеті Манчестера запропонувала «ламінувати» нестійкі почесні матеріали стійкими шарами «білого графена», а потім перевірила запропонований спосіб на моношарах чорного фосфору і селеніда ніобію. У серпні 2018 науковці розробили поворотну гетероструктуру, що складається з шарів графену та гексагонального нітриду бору. Шари можна повертати відносно один одного і завдяки цьому керувати електричними, оптичними і механічними властивостями утвореної гетероструктури. У квітні 2019 американські вчені поставили за допомогою аркуша «білого графена» рекорд щільності квантових джерел фотонів, тим самим впритул наблизившись до теоретичної межі. Крім того, за допомогою почесного нітрида бору можна друкувати гнучкі транзистори, розділяти ізотопи водню і перетворювати топологічний ізолятор на надпровідник.