[发明专利]一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法

说明书

本发明提供了一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法。所述方法利用六方氮化硼和单晶铜箔衬底之间耦合作用，与六方氮化硼晶畴边缘和单晶铜箔上台阶边缘耦合作用的协同效应，来实现六方氮化硼单晶的化学气相沉积生长。所述方法解决了化学气相沉积法制备六方氮化硼单晶尺寸小、价格昂贵、基底表面处理工序复杂且生长周期长等技术问题。通过简单、高效的方法，实现了单晶六方氮化硼的制备。

技术领域

本发明涉及一种单晶六方氮化硼的的制备方法，尤其涉及一种利用层间耦合与台阶耦合的协同效应制备单晶六方氮化硼的方法。

背景技术

近年来，以石墨烯为代表的二维材料体系因同时具有优异的物理性质和奇特的物理现象，成为研究的热点。随着研究的日渐深入，“非碳”的二维材料也逐渐走入了人们的视野，而被称为“白色石墨烯”的层状六方氮化硼(h-BN)尤为受关注。

h-BN是一种由硼和氮以共价键形式结合而成的蜂窝状结构材料。单层h-BN拥有良好的机械强度、化学惰性、透光率以及热导率，是当前凝聚态物理、材料科学、纳米科学等领域的明星材料。而高质量的h-BN单层表面平整、没有悬键，不会俘获外电子，非常适合作为其它二维材材料的支撑材料。由h-BN支撑、保护石墨烯而组成的异质结结构，不仅可以在数量级上提高石墨烯的载流子迁移率，还能使诸如霍夫斯塔德蝴蝶、新迪拉克点、二维莫特绝缘体等新奇的物理现象得以被观察到。单层h-BN具有非常高的质子电导率，但同时其带隙却达到了惊人的6eV，不但能应用于众多与氢相关的能源技术上，还可用于深紫外的发射和探测。h-BN是目前世界上已知的二维材料中最好的绝缘体，也是未来全二维材料量子器件中不可或缺的核心元素，有望在未来对电子、信息等领域带来颠覆性的突破。

化学气相沉积法是制备高质量、大尺寸的单晶六方氮化硼的最佳方法。该方法分为两种途径：其一是控制前驱物的供应，抑制衬底上的形核密度，使单个晶畴缓慢长大成为一个独立大单晶体；而另一种途径是通过调控金属衬底，使较大范围内每个相对较小晶畴取向达到一致，进而无缝融合拼接成为一整片大单晶。采用前者因成核密度过高，生长速度过慢而难以实现单畴长大；采用后者则因为单晶衬底存在反演对称性而难以实现晶畴取向一致。总而言之单晶氮化硼的生长方法目前仍是需要填补的空白。

发明内容

本发明提供一种制备单晶六方氮化硼的方法，在化学气相沉积系统中形成上游温区和下游温区，所述上游温区和下游温区具有不同的加热温度；

将生长源放入化学气相沉积系统中的上游温区，将单晶铜箔放入系统中的下游温区，利用六方氮化硼和单晶铜箔衬底之间的耦合作用以及六方氮化硼晶畴边缘和单晶铜箔上台阶边缘的耦合作用的协同效应，来实现单晶六方氮化硼的化学气相沉积生长；

其中，所述上游温区为低温区，所述下游温区为高温区。

优选的是，在上述方法中，所述单晶铜箔的晶面指数包括但不限于Cu(100)、 Cu(110)、Cu(111)以及Cu(410)。

优选的是，在上述方法中，所述单晶铜箔的晶面上台阶的方向包括但不限于 Cu＜100、Cu＜110、Cu＜111以及Cu＜211。

优选的是，在上述方法中，对所述单晶铜箔进行预处理，所述预处理过程为在流量为10-1000sccm以上的氩气和1-100sccm以下的氢气所组成的混合气并且气压为一个大气压的气氛下，快速升温所述下游温区至900℃以上退火10分钟以上。

优选的是，在上述方法中，所述方法包括如下步骤：

(一)将生长源放入化学气相沉积系统中的上游温区，将单晶铜箔放入系统中的下游温区；在所述系统内通入载气，快速升温下游温区至900℃以上并且退火单晶铜箔10分钟以上，以还原铜箔表面的氧化层，促使铜箔晶面形成单一取向台阶，此时上游温区的温度保持在60℃以下；