[发明专利]一种提高大块六方相氮化硼单晶产量的方法

说明书

一种提高大块六方相氮化硼单晶产量的方法，属于功能材料制备技术领域。具体过程如下：以六方氮化硼粉末或者硼粉为原料，掺入一定量的纯碳粉，在氮气流中，将催化合金放在原料粉末上，先高温加热使合金熔融，保持一段时间，令粉末充分溶于合金中，达到饱和后，以极低速度降温，晶体会在金属合金表面析出，生长出高产量高质量的六方氮化硼单晶。目前研究二维材料六方氮化硼的主要问题是晶体生长困难、产量小、质量低，而本发明所述方法结构简单，原理清晰，效果显著，对于提高六方氮化硼单晶的产量具有很优异的效果，同时对于六方氮化硼的广泛应用以及其他半导体材料或二维材料的研究与发展也具有重大意义。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种提高大块六方相氮化硼单晶产量的方法。

背景技术

氮化硼是氮和硼按照1：1的元素比例形成的一种化合物。其常见的有六方相和立方相两种晶体结构。其中的六方相由于具有和石墨类似的层状结构，粉末状六方氮化硼外观通常呈现为白色，因此通常被称为“白石墨”。六方氮化硼可以应用于高温绝缘，高温润滑，紫外光电子器件等技术领域，是一种重要的化合物材料。

粉末状态的六方氮化硼可以比较方便的购买获得。其通常由尺寸10微米以下，厚度1微米以下的片状颗粒组成。通常使用的氮化硼坩埚和氮化硼材质的零件通常用氮化硼粉末压制而成。但是，应用于某些特定场合的更大尺寸的氮化硼单晶体，比如尺寸500微米以上，厚度20微米以上的六方氮化硼目前不容易获得。

现有的制备大尺寸六方氮化硼单晶的方法分为两种。其中一种是使用高温高压环境生成大尺寸六方氮化硼单晶，该方法需要较高的压强和高温，所需设备昂贵；另一种是常压下的熔体析出法。其使用镍-铬、铁-铬或者钴-铬等合金为熔体，使用氮化硼粉末或者硼粉为原料，在氮气氛围下缓慢降温使六方氮化硼单晶在熔体表面生成。该方法因为不使用高压环境，所以成本较低，适合于大量制备。以上两种方法所生成的六方氮化硼单晶尺寸最大可以达到毫米级别，厚度通常大于20微米。

虽然常压熔体析出法取得了较大的成功，但是其制备过程对氧非常敏感。微量的氧掺入就有可能导致产量急剧降低。为此，生长过程对系统的气密性以及气体和原料纯度等要求较高。生长前需要对设备进行反复清洗，并需要反复检查系统的气密性。虽然可以在氮气中加入适量的氢气作为还原性气体来去除残留的氧气，但是氢的强还原性有可能导致在生长温度下的氮化硼的刻蚀。此外，氢气属于易燃易爆的气体，其安全性也值得考量。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对现有技术中存在上述六方氮化硼单晶生长困难、常压熔体析出法的氧化敏感性高等问题，提出了一种提高六方氮化硼单晶产量的方法，所述方法简单易操作、成本较低，能够有效生长出质量更高尺寸更大的六方氮化硼单晶，是一种创新、灵活且实用性非常强的方法。

技术方案：一种提高大块六方相氮化硼单晶产量的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一.将六方氮化硼粉末或硼粉放入氮化硼坩埚中，然后加入碳粉，混匀后加入金属合金放至粉末上，所述金属合金、六方氮化硼粉末或硼粉和碳粉的质量比为100:10:(0.5~8)，然后将氮化硼坩埚放入氧化铝坩埚舟中，再放入管式炉加热温区；

步骤二.关闭炉管两端进出气口法兰阀门，用真空泵将炉管抽至5×10^-2Pa以下，抽完关闭真空泵，通氮气至常压，重复3-5次除尽炉管内空气，最后通入氮气流保护，气流量为60-100 sccm；

步骤三.加热样品，升温至1400-1700℃，保持5-30 h，然后以小于10℃/h的速度降温至1200℃，结束加热，自然冷却后取出样品。

作为优选，所述步骤一中六方氮化硼粉末或硼粉放入氮化硼坩埚之前先进行脱氧处理。

作为优选，所述步骤一中脱氧处理后的六方氮化硼粉末或硼粉在48 h内放入氮化硼坩埚中。