2024年8月12日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授研究团队与深圳理工大学丁峰教授团队在《自然-材料》（Nature Materials）在线发表了题为“Ultraflat single-crystal hexagonal boron nitride for wafer-scale integration of a 2D-compatible high-κ metal gate”的研究论文，报道了超平整氮化硼单晶晶圆的可控制备，并实现了二维器件兼容的高介电金属栅极（HKMG）的晶圆级集成。
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二维材料具有丰富的物理特性，在电子、能源和催化等领域具有广阔的应用前景。尤其是在高性能电子器件领域，原子级厚度的高迁移率二维半导体有望成为下一代沟道材料，延续摩尔定律。而在二维电子器件中，栅介质与二维沟道材料之间仍然存在缺陷、杂质以及悬挂键等问题，造成载流子的散射，严重制约了器件性能。因此，获得高质量的沟道-栅介质界面是学术界与工业界关注的重点。六方氮化硼俗称“白石墨烯”，与石墨烯的二维晶体结构类似，具有无悬挂键和原子级平整表面，又兼具高导热率和良好电绝缘性，是理想的二维界面缓冲材料，能够减少二维沟道材料与栅介质集成时的界面损伤和载流子散射，有助于获得二维材料的本征优异性质。面向高介电金属栅极（HKMG）的晶圆级集成与高性能二维电子器件应用，六方氮化硼界面材料的平整度、单晶性、大面积均一制备、与先进半导体工艺兼容性等问题均亟待解决。目前，通过化学气相沉积法（CVD）在富含台阶的Cu（110）、Ni（111）箔材与Cu（111）薄膜等金属衬底表面已经能够实现单晶氮化硼的制备，但是超平整氮化硼晶圆的可控制备尚未实现。
氮化硼的CVD制备方法通常在高温（约1000°C）下进行，因此在后续降温过程中，由于氮化硼与金属衬底的热膨胀系数不匹配，造成热应力的不断积聚，最终氮化硼和金属衬底分别通过形成褶皱和台阶的方式释放应力。而这些褶皱和金属台阶极大地降低了氮化硼的平整度与均匀性，严重降低了其优异的性质。类似的现象在石墨烯制备过程中也普遍存在，并且研究表明金属表面大量台阶的急剧形成会触发石墨烯褶皱的产生。此前，彭海琳课题组和合作者已实现4英寸超平整石墨烯单晶晶圆的规模制备、无损洁净转移和器件应用（ACS Nano 2017, 11 ,12337；Nature Commun. 2022, 13 , 5410；Nature Methods 2023, 20, 123）。
针对超平整氮化硼单晶晶圆的可控制备难题，彭海琳课题组与深圳理工大学丁峰教授团队合作，提出了在Cu0.8Ni0.2（111）/蓝宝石表面通过界面相互作用力调控，增强氮化硼薄膜与金属衬底的耦合作用（结合能与摩擦力），从而确保氮化硼畴区单一取向并同时抑制褶皱形成，实现了4英寸超平整单层氮化硼单晶晶圆的可控制备（图1）。基于高质量的氮化硼晶圆，设计并制备了4英寸超平整氮化硼/高介电氧化铪/金属复合型栅电极，并实现了其与石墨烯等二维材料的无损范德华转移集成。
图1. CuNi（111）/蓝宝石衬底表面超平整单晶氮化硼的制备示意图
研究表明，通过调控铜镍合金中金属Ni的含量可以调控氮化硼与生长衬底之间的结合能与摩擦力，当Ni含量
