[發明專利]一種六角相氮化硼薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201310019912.9
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103031516A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 徐明生;陳紅征
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/54
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及一種氮化硼薄膜的制備方法，特別涉及一種采用固態硼源生長的二維的六角相氮化硼薄膜的制備方法。

背景技術

III-V族化合物氮化硼(BN)與IV族的C類似，既有類似于金剛石結構的sp³鍵構成的相，又有類似于石墨結構的sp²構成的相。存在四種主要的異構體，它們本別是與金剛石對應的閃鋅礦結構的立方相氮化硼(cubicboron?nitride：c-BN)、與六方金剛石對應的纖鋅礦結構的六方相氮化硼(wurtzite?boron?nitride：w-BN)、與六角石墨對應的六角相氮化硼(hexagonalboron?nitride：h-BN)、與三方菱面體結構石墨對應的菱面體氮化硼(rhombohedral?boron?nitride：r-BN)。其中，h-BN與r-BN是層狀的二維材料，在同一層中的硼氮原子之間是以sp²鍵結合，層與層之間的作用力為范德華力；w-BN和c-BN中的硼氮原子之間是以sp³鍵結合，不同結構決定了它們具有不同的性質；通常，只有h-BN和c-BN是穩定相。

納米材料包括零維納米材料、一維納米材料和二維納米材料，納米材料具有與體材料不同的光電、化學、熱等性能；一維及零維納米材料已有20多年研發歷史，而真正對二維納米材料的研究是近幾年才開展起來的，特別是2004年來對石墨烯的研究以來。二維納米材料主要有由元素周期表中第四主族元素構成層狀薄膜如石墨烯(由碳元素組成)、硅烯(由硅元素組成)和鍺烯(由鍺元素組成)、金屬硫族化合物如MoS₂，WS₂和GaS等，以及六角氮化硼等層狀材料。目前，研究較多的二維納米材料是石墨烯薄膜，受石墨烯及其獨特性能研究的影響，其它的類石墨烯的二維薄膜也越來越受到研究者的關注。

二維六角相氮化硼薄膜，由于其優異的絕緣特性和平整度用于石墨烯光電子器件能夠顯著地提高器件的性能。目前，制備二維的六角相氮化硼的主要方法是化學氣相沉積方法(CVD)[“Toward?the?controlled?synthesisof?hexagonal?boron?nitride?films”ACS?Nano?2012，6，6378]，CVD法是在一定的溫度下將含氮和硼原子的單一氣體，或者分別含有氮和含有硼原子的氣體分解而在襯底上形成h-BN薄膜，由于含硼氣體為有害氣體，使用CVD方法制備二維六角相氮化硼薄膜存在安全隱患。

公開號為CN101913598A的中國專利文獻公開了一種采用物理氣相沉積(PVD)方法如熱處理、熱蒸鍍、濺射、電子束沉積、激光沉積或等離子沉積將碳原子從固態碳源釋放而制備石墨烯薄膜的技術方法。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種操作簡單、易于實現、安全性好的制備層狀的二維六角相氮化硼薄膜的方法。

一種六角相氮化硼薄膜的制備方法，采用物理氣相沉積方法，由固態硼源提供硼原子，在襯底上形成六角相氮化硼薄膜；物理氣相沉積時的沉積速率為0.01nm/min～20nm/min；成膜過程中控制襯底溫度為20～1600℃，最后以10～400℃/min的速率降溫至室溫。

采用物理氣相沉積方法，將硼原子基團和氮原子基團或者氮化硼分子釋放至襯底，硼原子基團和氮原子基團或者氮化硼分子在襯底上擴散并成膜，這里“基團”不僅僅是指原子，也包括含有該元素的其它離子等，以氮為例，包括氮原子、N₂⁺、NH₃⁺等。硼原子基團和氮原子基團或者氮化硼分子的釋放以及在襯底上成核生長成有序的h-BN需要一定的能量，這些能量還可以激發襯底使襯底具有一定催化功能，所需的能量可以來自于物理氣相沉積方法本身，如物理氣相沉積方法中的一定能量的粒子束(離子束、電子束、光子束等)等，也可以通過對襯底加熱獲得。