[发明专利]一种大晶粒单层六方氮化硼的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种六方氮化硼的制备方法，尤其指一种生长大晶粒单层六方氮化硼的方法。

背景技术

六方氮化硼是一种具有超高化学稳定性和热稳定性的材料，当其仅有原子层厚时，不仅保持了这些优异的稳定性，还具有非常高的机械强度和光学透过性。其在可见光区域完全透明，仅在深紫外区近200nm附近有一个强烈的吸收峰。它具有5.97eV直接带隙，是优异的宽禁带绝缘体。近来，随着二维纳米材料研究的深入，人们发现原子层厚六方氮化硼在纳电子器件方面有着非常重要的作用。使用其作为基底，石墨烯的电子迁移率可以得到显著的提高。利用其作为超薄介电层构筑的隧道效应晶体管具有较高的开关比。

作为极有潜在应用价值的纳电子材料，单层六方氮化硼的制备一直是关注的焦点之一。其目前的制备方法主要采用化学气相沉积法。然而，现有的化学气相沉积方法得到六方氮化硼层的晶粒尺寸还很小，仅数微米，存在大量晶界等拓扑缺陷。这些缺陷的存在会对其性质产生巨大的影响，阻碍了其在纳电子器件方面的应用。

发明内容

本发明为了解决现有化学气相沉积方法得到六方氮化硼层的晶粒尺寸小，存在大量晶界等拓扑缺陷的问题，提供了一种基于化学气相沉积法的大晶粒单层六方氮化硼的制备方法，可以得到具有大晶粒尺寸的单层六方氮化硼。

本发明提供的大晶粒单层六方氮化硼的制备方法，包括下列步骤：

步骤1. 六方氮化硼生长基底的预处理：通过化学物理研磨、电化学抛光和退火等手段，使基底表面缺陷尽可能降低。

步骤2. 六方氮化硼的沉积生长：采用化学气相沉积的方法，以硼烷氨络合物为固态源，流量为1～200mL∕min（sccm）的氢气或氢气和惰性气体的混合气体为载流气体。首先，将基底升温至高温，控制硼烷氨络合物的加热温度（50～100℃）使其挥发提供气态源的分压保持恒定在一极低值（0.01～1Pa），在基底表面生长10～480min形成原子层厚的单晶六方氮化硼，再以1～100℃∕min的速度降至室温。

其中，选用的六方氮化硼生长基底为铜、镍、铝、铁等金属基底，也可以为氧化铝、石英等非金属基底。

上述的制备方法，步骤2 中基底为卷成管状、或折叠成其他任意形状放置。不同形状基底所需的生长时间不同，比如对于卷成管状的基底仅为平放基底所需的生长时间的约六分之一。

上述的制备方法，步骤2 中基底的加热温度取决于基底的材料，当基底为铜时，基底升温温度区间为900～1050℃，当基底为镍、铁和氧化铝、石英时，基底升温温度区间为900～1450℃，当基底为铝时，基底升温温度区间为600～660℃。

    本发明有益效果在于：

1、在现有化学气相沉积法的基础上，公开了一种采用极低硼、氮源分压生长六方氮化硼的方法, 使用分压越低，晶粒尺寸越大，但是生长时间越长，晶粒尺寸可达到1000μm2。

2、改变基底的形状，从传统的平放改为卷成管状、或折叠成其他任意形状放置，不同形状基底所需的生长时间不同，比如对于卷成管状的基底仅为平放基底所需的生长时间的六分之一。

附图说明

图1 为实施例1制备的六方氮化硼的光学显微镜照片 (300 微米×300 微米)。

图2 为实施例2制备的六方氮化硼的吸收光谱。

图3 为实施例3制备的六方氮化硼的光电子能谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

1. 使用铜箔为六方氮化硼生长基底。将25 微米厚铜箔用化学机械法抛光表面，使表面粗糙度达到5nm以下。之后以无水乙醇、丙酮反复清洗去除表面杂质。将铜箔基底放入抽真空的石英管式炉中，通入10sccm 氢气，气压为100Pa。将石英管式炉继续升温到1050℃，维持该温度退火2小时，进一步去除表面杂质。

2.保持管式炉温度不变，将硼烷氨络合物加热至60℃，控制挥发提供气态源的分压达到0.1Pa，不断调节硼烷氨络合物的加热温度以保持这一分压不变，生长240min后，在10sccm 氢气气流保护下以100℃∕min的快速冷却到室温，在铜箔上得到生长成三角形的六方氮化硼的晶粒。光学显微镜表征结果如图1 所示，表明六方氮化硼的晶粒尺寸可达到1000μm2。

实施例2