一種制備六方氮化硼二維原子晶體的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種制備六方氮化硼(h-BN)二維原子晶體的方法，其特征在于先在反應(yīng)腔室中通入還原性氣體，對(duì)銅箔襯底進(jìn)行原位退火，去除其表面氧化層；再利用離子束濺射沉積(Ion Beam Sputtering Deposition，IBSD)方法，以氬離子束轟擊h-BN靶材，在銅箔襯底表面高溫沉積h-BN二維原子晶體。通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件，可獲得尺寸約為5μm的h-BN單晶疇，延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間，也可獲得高質(zhì)量的h-BN連續(xù)薄膜。本發(fā)明解決了CVD法制備h-BN二維原子晶體時(shí)，前驅(qū)體熱解副產(chǎn)物多、不易控制等問題，為制備大面積、高質(zhì)量h-BN二維原子晶體提供了一種新的途徑。
【專利說(shuō)明】一種制備六方氮化硼二維原子晶體的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種實(shí)現(xiàn)六方氮化硼二維原子晶體制備的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，已成為電子及光電子器件和納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并有望取代硅材料成為下一代半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。但受襯底界面態(tài)的影響，石墨烯在襯底上的遷移率通常難以達(dá)到理論水平。此外，由于缺乏合適的柵介質(zhì)材料，石墨烯器件難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。六方氮化硼二維原子晶體(hexagonal Boron Nitride, h_BN)與石墨烯結(jié)構(gòu)類似，具有極高的面內(nèi)彈性模量、高溫穩(wěn)定性、原子級(jí)平滑的表面和極少的表面懸掛鍵，并且與石墨烯晶格失配很小(1.8%)。因此，將石墨烯轉(zhuǎn)移到h-BN襯底上，有利于還原本征石墨烯極高的載流子遷移率。同時(shí)，h-BN具有較低的介電常數(shù)和較高的擊穿電場(chǎng)使之成為石墨烯電子器件的柵介質(zhì)材料。因此，展開大面積可控制備h-BN 二維原子晶體材料的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)大面積石墨烯電子學(xué)的應(yīng)用有重要意義。
[0003]采用機(jī)械或化學(xué)剝離法制備出的h-BN 二維原子晶體尺寸有限，難以獲得實(shí)際應(yīng)用。在超高真空(UHV)設(shè)備中，可在過(guò)渡金屬單晶襯底表面制備單層h-BN，但UHV設(shè)備復(fù)雜昂貴，而且很難將制備的h-BN轉(zhuǎn)移到其它襯底上。近年來(lái)，采用常壓或低壓化學(xué)氣相沉積法(CVD)利用各種前驅(qū)體在過(guò)渡金屬襯底表面熱解成為制備h-BN的主要方法。CVD技術(shù)制備h-BN的前驅(qū)體主要包括:氣態(tài)前驅(qū)體B2H6/NH3、液態(tài)前驅(qū)體硼吖嗪(B3N3H6)及固態(tài)前驅(qū)體硼烷氨(NH3-BH3)。但CVD生長(zhǎng)過(guò)程異常復(fù)雜，各種生長(zhǎng)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。更為重要的是，在CVD生長(zhǎng)h-BN中，選擇合適的前驅(qū)體存在困難，如氣態(tài)的乙硼烷屬于劇毒氣體，液態(tài)的硼吖嗪和固態(tài)的硼烷氨穩(wěn)定性差，易于水解，且價(jià)格昂貴、難以控制。因此，急需發(fā)展一種高質(zhì)量、大面積、低成本的h-BN 二維原子晶體的可控生長(zhǎng)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)目前制備h-BN 二維原子晶體的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種制備高質(zhì)量h-BN 二維原子晶體的方法。
[0005]本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)六方氮化硼二維原子晶體制備的方法，其包括；
[0006]步驟101:將過(guò)渡金屬襯底依次在去離子水、丙酮、異丙醇和乙醇分別超聲洗凈，吹干，再將襯底放入腔室內(nèi)，并將腔室抽真空；
[0007]步驟102:在還原性氣體氣氛下，對(duì)襯底進(jìn)行原位退火；
[0008]步驟103:退火完成后，關(guān)閉氫氣并通入氬氣，采用考夫曼寬束離子源，以離子源的離子轟擊燒結(jié)六方氮化硼靶，在高溫襯底表面生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體；
[0009]步驟104:生長(zhǎng)完成后，長(zhǎng)有六方氮化硼二維原子晶體的襯底在腔室中快速降至室溫，然后將其從腔室中取出，完成制備過(guò)程。
[0010]本發(fā)明首先對(duì)清潔的襯底在氫氣中進(jìn)行退火以使得表面更為平整并去除氧化層，然后用氬離子束轟擊高純氮化硼靶材，在高溫銅箔襯底表面實(shí)現(xiàn)h-BN 二維原子晶體的生長(zhǎng)。該方法利用制備薄膜材料常用的離子束濺射設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了 h-BN 二維原子晶體的制備，與常用的CVD法相比，本方法具有成本低、方法簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明中h-BN 二維原子晶體的制備方法流程圖；
[0012]圖2(a)?(b)分別為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的h-BN二維原子晶體單晶疇及連續(xù)薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；
[0013]圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的h-BN 二維原子晶體轉(zhuǎn)移到Si/Si02襯底上的拉曼光譜；
[0014]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的h-BN 二維原子晶體轉(zhuǎn)移到石英襯底上的紫外-可見吸收光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0015]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]圖1示出了本發(fā)明提出的一種六方氮化硼二維原子晶體制備的方法流程圖。如圖1所示，其包括:
[0017]步驟101:將銅、鎳等過(guò)渡金屬襯底依次在去離子水、丙酮、異丙醇和乙醇分別超聲洗凈，吹干，再將襯底放入腔室內(nèi)，并將腔室抽真空；
[0018]步驟102:在還原性氣體氣氛下，對(duì)襯底進(jìn)行原位退火；
[0019]步驟103:退火完成后，關(guān)閉氫氣并通入氬氣，采用考夫曼寬束離子源，以離子源的離子轟擊燒結(jié)六方氮化硼靶，在高溫襯底表面生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體；
[0020]步驟104:生長(zhǎng)完成后，長(zhǎng)有六方氮化硼二維原子晶體的襯底在腔室中快速降至室溫，然后將其從腔室中取出，完成制備過(guò)程。
[0021]下面以具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的上述制備過(guò)程。本實(shí)施例中制備步驟包括:
[0022]用高純燒結(jié)六方氮化硼靶作為濺射靶，以厚度為25 μ m的多晶銅箔為襯底；將銅箔沉底依次在去離子水、丙酮、異丙醇和乙醇分別超聲洗凈，吹干，再將銅箔襯底放入離子束濺射沉積系統(tǒng)的腔室內(nèi)，并將腔室真空抽至2 X KT5Pa以下；
[0023]在還原性氫氣氛下，將銅箔在第一預(yù)定時(shí)間如40分鐘內(nèi)升至第一預(yù)定溫度如1050°C，并在第一預(yù)定溫度下恒溫退火第二預(yù)定時(shí)間，所述第二預(yù)定時(shí)間在10-30分鐘之間，最優(yōu)為20分鐘；其中，所述氫氣流量為20?50SCCm之間，最佳為30sCCm，腔室壓強(qiáng)為0.1 ?1.0Pa ；
[0024]退火完成后，關(guān)閉氫氣并通入氬氣，采用考夫曼寬束離子源，以Ar+離子轟擊燒結(jié)六方氮化硼靶材，在高溫襯底表面沉積h-BN 二維原子晶體；其中沉積時(shí)離子源(Ar+)的離子能量及束流密度分別為U1 =100eV?2000eV，J1:180?220 μ A/cm2，最佳為200 μ A/cm2,IS氣流量為2?1sccm,最佳為4sccm,工作壓強(qiáng)Pc為1.0?5.0X 10_2Pa之間，最佳為2.8父10-午&，沉積過(guò)程中的襯底溫度1；保持在750?10501:之間，最佳為9501:。對(duì)于單晶疇樣品生長(zhǎng)時(shí)間為1-4分鐘，最佳為3分鐘，對(duì)于連續(xù)薄膜樣品生長(zhǎng)時(shí)間為4-10分鐘。
[0025]生長(zhǎng)完成后，待爐溫快速降至室溫時(shí)，取出樣品。為測(cè)試需要，部分樣品可采用與轉(zhuǎn)移石墨烯相同的濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)，將制備在銅箔襯底上的h-BN 二維原子晶體轉(zhuǎn)移到Si/S12襯底或石英襯底上。
[0026]本發(fā)明提出的上述方法先在反應(yīng)腔室中通入還原性氣體，對(duì)銅箔襯底進(jìn)行原位退火，去除其表面氧化層；再利用離子束派射沉積(1n Beam Sputtering Deposit1n, IBSD)方法，以氬離子束轟擊h-BN靶材，在銅箔襯底表面高溫沉積h-BN 二維原子晶體。通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件，可獲得尺寸約為5 μ m的h-BN單晶疇，延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間，也可獲得高質(zhì)量的h-BN連續(xù)薄膜。本發(fā)明解決了 CVD法制備h-BN 二維原子晶體時(shí)，前驅(qū)體熱解副產(chǎn)物多、不易控制等問題，為制備大面積、高質(zhì)量h-BN 二維原子晶體提供了一種新的途徑。
[0027]按照上述工藝條件，實(shí)現(xiàn)了在銅箔襯底上生長(zhǎng)h-BN 二維原子晶體。圖2(a)、(b)分別給出了生長(zhǎng)時(shí)間為3分鐘和10分鐘樣品的SEM圖像。圖2中可見，h-BN的晶疇呈三角形，尺寸為5μπι左右，與CVD方法生長(zhǎng)的h-BN單晶疇尺寸相當(dāng)。當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)到10分鐘時(shí)h-BN單晶疇逐漸合并，并形成連續(xù)薄膜。圖3為轉(zhuǎn)移到Si/Si02襯底上的h-BN 二維原子晶體的拉曼光譜，圖中顯示1370cm—1處有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，與h-BN的E2g振動(dòng)模式相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)移到石英襯底上的h-BN 二維原子晶體的紫外-可見吸收光譜(圖4)顯示樣品在可見光范圍內(nèi)基本無(wú)吸收，在210nm處有一較強(qiáng)吸收峰，經(jīng)計(jì)算得到其禁帶寬度約為5.77eV。拉曼光譜和紫外可見吸收光譜一致表明，通過(guò)該方法可制備出高質(zhì)量的h-BN 二維原子晶體。
[0028]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)六方氮化硼二維原子晶體制備的方法，其特征在于，包括； 步驟101:將過(guò)渡金屬襯底依次在去離子水、丙酮、異丙醇和乙醇分別超聲洗凈，吹干，再將襯底放入腔室內(nèi)，并將腔室抽真空； 步驟102:在還原性氣體氣氛下，對(duì)襯底進(jìn)行原位退火； 步驟103:退火完成后，關(guān)閉氫氣并通入氬氣，采用考夫曼寬束離子源，以離子源的離子轟擊燒結(jié)六方氮化硼靶，在高溫襯底表面生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體； 步驟104:生長(zhǎng)完成后，長(zhǎng)有六方氮化硼二維原子晶體的襯底在腔室中快速降至室溫，然后將其從腔室中取出，完成制備過(guò)程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟102中進(jìn)行退火時(shí)，所述還原性氣體為氫氣，流量為30sccm，腔室壓強(qiáng)在0.1?1.0Pa之間。
3.如權(quán)利要求1所述的方法,其中，步驟102中，退火時(shí)襯底的溫度為1050°C。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟103中，生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體的能量為1000?2000eV，束流密度為180?220 μ A/cm2。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，束流密度為200μ A/cm2。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟103中，生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體的襯底溫度為750?1050°C之間。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟103中，生長(zhǎng)六方氮化硼二維原子晶體的工作壓強(qiáng)Pc為1.0?5.0X KT2Pa之間。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟103中，生長(zhǎng)的六方氮化硼二維原子晶體為單晶疇或晶體薄膜。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，六方氮化硼二維原子晶體單晶疇的生長(zhǎng)時(shí)間為1-4分鐘，六方氮化硼二維原子晶體薄膜的生長(zhǎng)時(shí)間為4-10分鐘。
10.如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述過(guò)渡金屬襯底為銅箔或鎳箔。
【文檔編號(hào)】C30B29/38GK104313684SQ201410520082
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】張興旺, 王浩林, 劉鑫, 孟軍華, 尹志崗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所