[發明專利]一種晶圓級單層硼烯的制備方法及晶圓級單層硼烯

有效

• 申請號: 202011376622.6
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112522669B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 馬雷;趙梅;趙若彤;朱曉東
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C14/30
• 分類號: C23C14/30;C23C14/06;C23C14/18;C23C14/35;C23C14/58
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 潘俊達

本發明提供了一種晶圓級單層硼烯的制備方法及該晶圓級單層硼烯，包括以下步驟：S1、在絕緣襯底層上設置第一金屬層；S2、采用電子束蒸發法在第一金屬層中引入硼原子，沉積得到硼源層；S3、在硼源層的表面設置可與第一金屬層互熔的第二金屬層；S4、采用退火工藝將第一金屬層與第二金屬層熔合形成合金層，并使得硼原子從合金層中被析出至合金層的上表面和合金層與絕緣襯底層的界面，得到形成在合金層上表面的硼薄膜，以及在合金層與絕緣襯底層界面的硼烯層；S5、去除合金層和硼薄膜，得到晶圓級單層硼烯。相比于現有技術，本制備方法可以在絕緣襯底上直接制備出晶圓級均勻單層硼烯，且制備效率高，生產成本低。

技術領域

本發明涉及單層硼烯制備技術領域，具體涉及一種晶圓級單層硼烯的制備方法及晶圓級單層硼烯。

背景技術

目前人們已經采用液相剝離、分子束外延等方法成功實現了硼的二維材料——硼烯的制備。大量基于第一性原理的理論研究表明，硼烯具有優異的物理、化學和機械性能，例如各向異性負泊松比、高溫超導以及超高載流子遷移率的狄拉克錐能帶結構等。

液相剝離法是將體相的硼單質晶體放置在特定的溶劑中進行超聲處理，使硼薄膜按照一定的晶體方向剝離，從而得到硼烯。然而常規的液相剝離法制備的二維硼納米薄片存在層數不均勻、晶體結構無序、結塊明顯等問題，難以在電子器件、光電器件等領域有更廣闊的應用前景。

而分子束外延技術是當前高質量單晶薄膜和納米結構制備的一種非常重要的手段。其基本原理是，在超高真空的環境中(約1×10^-10Torr)，通過加熱蒸發源使具有一定動能的分子或原子沉積到單晶襯底表面，發生吸附、遷移或和表面發生反應后實現材料的外延生長。分子束外延實質上是一種非平衡生長過程，它是氣相原子沉積到襯底表面變為固相的過程，是生長動力學和熱力學相互作用的結果。分子束外延的生長過程是在超高真空環境下進行的，避免了雜質的干擾，而且襯底清潔、外延材料純度高，因而能夠制備出高質量的樣品。另外其蒸發速率較慢(0.1～1nm/s)，但是很穩定，能夠得到組分均勻、結構統一的單晶薄膜，生長過程具有原子尺度的可控性，可以精確控制薄膜厚度。雖然通過分子束外延可以在金屬基底上合成大面積均勻的硼烯；然而，為了進一步基于硼烯制備電子器件和光電器件，必須將硼烯從金屬基底上轉移到絕緣襯底上，而目前成熟的轉移過程尚未實現。

有鑒于此，確有必要提供一種解決上述問題的技術方案。

發明內容

本發明的一目的在于：提供一種晶圓級單層硼烯的制備方法，解決目前制備技術難以在絕緣襯底上直接制備出晶圓級單層硼烯的問題。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種晶圓級單層硼烯的制備方法，包括以下步驟：

S1、在絕緣襯底層上設置第一金屬層；

S2、采用電子束蒸發法在所述第一金屬層中引入硼原子，沉積得到硼源層；

S3、在所述硼源層的表面設置可與所述第一金屬層互熔的第二金屬層；

S4、采用退火工藝將所述第一金屬層與所述第二金屬層熔合形成合金層，并使得所述硼原子從所述合金層中析出至所述合金層的上表面和所述合金層與所述絕緣襯底層的界面，得到形成在所述合金層上表面的硼薄膜，以及在所述合金層與所述絕緣襯底層界面的硼烯層；

S5、去除所述合金層及所述硼薄膜，得到晶圓級單層硼烯。

優選的，所述第一金屬層中的金屬、所述第二金屬層中的金屬和所述合金層中的合金不與硼反應形成硼化合物。

優選的，所述第一金屬層為銅層和/或鎳層，所述第二金屬層為銅層和/或鎳層。