[發明專利]一種具有單原子層臺階的六角氮化硼基底及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201110247262.4
• 申請日: 2011-08-25
• 公開（公告）號: CN102336588A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 丁古巧;唐述杰;謝曉明;江綿恒
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: C04B41/53
• 分類號: C04B41/53;C01B31/04;B82Y40/00;C30B33/02;C23C16/34;C23C16/56
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發明涉及一種具有單原子層臺階的六角氮化硼(hBN)基底以及在絕緣襯底六角氮化硼上刻蝕單原子層臺階的方法，屬于新材料和納米材料領域。

背景技術

石墨烯的基底材料非常重要。目前通過化學氣相沉積(CVD)方法生長在金屬基底上的石墨烯需要轉移到絕緣基底上。目前常用的SiO₂/Si基底，由于表面電荷聚集引起的石墨烯局域載流子摻雜，以及SiO₂-石墨烯界面上聲子對于石墨烯載流子的散射作用，轉移到SiO₂/Si基底上的石墨烯電子遷移率上限降為40000cm²/Vs，這大大降低了石墨烯場效應晶體管的性能，2008年Chen?J.H等人發表在Nature?Nanotechnology第3卷206頁上的論文Intrinsic?andExtrinsic?Performance?Limits?of?Graphene?Devices?on?SiO₂研究了在SiO₂基底上石墨烯器件受到的限制。六角氮化硼(hBN)是石墨烯的等電子體，具有與石墨烯相同的層狀結構，在(0001)面上不存在懸掛鍵，與石墨烯的晶格失配僅為1.7％。2011年Xue?J.等人發表在NatureMaterials上的論文Scanning?tunnelling?microscopy?and?spectroscopy?of?ultra-flat?graphene?onhexagonal?boron?nitride表明，轉移到超平的hBN上的石墨烯比SiO₂上的石墨烯電子遷移率高兩個量級，是目前為止公認最好的石墨烯襯底。

目前已經有多篇科技文獻報道了將石墨烯機械轉移到hBN襯底，hBN襯底也是利用機械剝離塊體hBN實現，實驗結果表明電子遷移率比SiO₂上提高了一個數量級。但這種機械剝離轉移的辦法樣品面積有限，石墨烯層數不可控，且成功率低，只適用于科學研究。我們于2011年在Carbon上發表了論文Direct?growth?of?few?layer?graphene?on?hexagonal?boronnitride?by?chemical?vapor?deposition，報道了一種以hBN為基底CVD方法制備石墨烯的方法，實現了hBN上直接生長石墨烯。不論是CVD在hBN表面生長石墨烯，還是通過機械剝離的方法轉移石墨烯到hBN表面，hBN的表面微觀結構對石墨烯都非常重要。在hBN基底上實現納米結構，特別是單個原子層厚度的納米結構將直接影響甚至調控石墨烯的成核和長大。

但目前缺乏對hBN基底本身的前處理。不管是CVD方法直接生長石墨烯還是將石墨烯轉移到hBN上，所使用的hBN基底只是把表面hBN剝離掉，暴露出新鮮的解理面。

發明內容

本發明針對現有技術中hBN基底上轉移石墨烯和直接生長石墨烯之前缺乏對hBN基底前處理的不足，提出了一種具有單原子層臺階的六角氮化硼基底以及在絕緣襯底六角氮化硼上刻蝕規則單原子層臺階的方法。

本發明是根據以下技術方案實現的：將hBN基底表面解理得到新鮮的原子表面，然后在特定氣氛中進行高溫退火處理，得到具有規則的單原子臺階的六角氮化硼基底。

本發明采用以下技術方案：

一種具有單原子層臺階的六角氮化硼基底，其特征在于，所述六角氮化硼基底的解理面上具有單原子層臺階，所述單原子層臺階的單個臺階高度為一個氮化硼原子層的厚度。

較佳的，所述單原子層臺階之間的間距為50nm～20μm。最佳的臺階間距為500nm到5μm。所述間距即為每個臺階的寬度。

較佳的，所述單原子層臺階的長度為100nm～100μm。

所述的六角氮化硼基底包括但不限于塊體六角氮化硼單晶、用機械剝離法獲得的單晶六角氮化硼薄片以及用化學氣相沉積法制備的六角氮化硼基底。

所述的六角氮化硼基底的解理面，是通過機械剝離的方法移除最上層的六角氮化硼，同時帶走表面的吸附物及表面機械劃痕等缺陷，而暴露出的新鮮的六角氮化硼原子表面，該表面缺陷少。

本發明還進一步公開了上述具有單原子層臺階的六角氮化硼基底的制備方法，包括如下步驟：將六角氮化硼基底的表面解理得到新鮮的原子表面；然后將其置于氫氣與氬氣的混合氣體中進行高溫退火處理，得到具有單原子層臺階的六角氮化硼基底。