CN102336588B - 一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有单原子层台阶的六角氮化硼（hBN）基底及其制备方法，将hBN基底表面解理得到新鲜的解理面，然后用氢气高温下刻蚀六角氮化硼，得到可控的、规则的单原子层台阶。本发明利用了氢气对hBN的各向异性刻蚀作用，通过调节氢气比例、退火温度、退火时间来控制hBN的刻蚀速率和刻蚀程度，达到刻蚀出规则单原子台阶的目的。该制备工艺和化学气相沉积法制备石墨烯的工艺相兼容，可以用于石墨烯纳米带的制备。主要应用于新型石墨烯电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有单原子层台阶的六角氮化硼(hBN)基底以及在绝缘衬底六角氮化硼上刻蚀单原子层台阶的方法，属于新材料和纳米材料领域。
背景技术
石墨烯的基底材料非常重要。目前通过化学气相沉积(CVD)方法生长在金属基底上的石墨烯需要转移到绝缘基底上。目前常用的SiO2/Si基底，由于表面电荷聚集引起的石墨烯局域载流子掺杂，以及SiO2-石墨烯界面上声子对于石墨烯载流子的散射作用，转移到SiO2/Si基底上的石墨烯电子迁移率上限降为40000cm2/Vs，这大大降低了石墨烯场效应晶体管的性能，2008年Chen J.H等人发表在Nature Nanotechnology第3卷206页上的论文Intrinsic andExtrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO2研究了在SiO2基底上石墨烯器件受到的限制。六角氮化硼(hBN)是石墨烯的等电子体，具有与石墨烯相同的层状结构，在(0001)面上不存在悬挂键，与石墨烯的晶格失配仅为1.7％。2011年Xue J.等人发表在NatureMaterials上的论文Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene onhexagonal boron nitride表明，转移到超平的hBN上的石墨烯比SiO2上的石墨烯电子迁移率高两个量级，是目前为止公认最好的石墨烯衬底。
目前已经有多篇科技文献报道了将石墨烯机械转移到hBN衬底，hBN衬底也是利用机械剥离块体hBN实现，实验结果表明电子迁移率比SiO2上提高了一个数量级。但这种机械剥离转移的办法样品面积有限，石墨烯层数不可控，且成功率低，只适用于科学研究。我们于2011年在Carbon上发表了论文Direct growth of few layer graphene on hexagonal boronnitride by chemical vapor deposition，报道了一种以hBN为基底CVD方法制备石墨烯的方法，实现了hBN上直接生长石墨烯。不论是CVD在hBN表面生长石墨烯，还是通过机械剥离的方法转移石墨烯到hBN表面，hBN的表面微观结构对石墨烯都非常重要。在hBN基底上实现纳米结构，特别是单个原子层厚度的纳米结构将直接影响甚至调控石墨烯的成核和长大。
但目前缺乏对hBN基底本身的前处理。不管是CVD方法直接生长石墨烯还是将石墨烯转移到hBN上，所使用的hBN基底只是把表面hBN剥离掉，暴露出新鲜的解理面。
发明内容
本发明针对现有技术中hBN基底上转移石墨烯和直接生长石墨烯之前缺乏对hBN基底前处理的不足，提出了一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底以及在绝缘衬底六角氮化硼上刻蚀规则单原子层台阶的方法。
本发明是根据以下技术方案实现的：将hBN基底表面解理得到新鲜的原子表面，然后在特定气氛中进行高温退火处理，得到具有规则的单原子台阶的六角氮化硼基底。
本发明采用以下技术方案：
一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底，其特征在于，所述六角氮化硼基底的解理面上具有单原子层台阶，所述单原子层台阶的单个台阶高度为一个氮化硼原子层的厚度。
较佳的，所述单原子层台阶之间的间距为50nm～20μm。最佳的台阶间距为500nm到5μm。所述间距即为每个台阶的宽度。
较佳的，所述单原子层台阶的长度为100nm～100μm。
所述的六角氮化硼基底包括但不限于块体六角氮化硼单晶、用机械剥离法获得的单晶六角氮化硼薄片以及用化学气相沉积法制备的六角氮化硼基底。
所述的六角氮化硼基底的解理面，是通过机械剥离的方法移除最上层的六角氮化硼，同时带走表面的吸附物及表面机械划痕等缺陷，而暴露出的新鲜的六角氮化硼原子表面，该表面缺陷少。
本发明还进一步公开了上述具有单原子层台阶的六角氮化硼基底的制备方法，包括如下步骤：将六角氮化硼基底的表面解理得到新鲜的原子表面；然后将其置于氢气与氩气的混合气体中进行高温退火处理，得到具有单原子层台阶的六角氮化硼基底。
所述的六角氮化硼基底解理是通过机械剥离的方法移除最上层六角氮化硼，同时带走表面吸附物及表面机械划痕等缺陷，暴露出新鲜的hBN原子表面，表面缺陷少。
较佳的，所述氢气与氩气的混合气体中，氢气与氩气的体积比为1∶1～1∶10，优选为1∶3～1∶9。
较佳的，所述的高温退火处理的退火温度为1000℃～1200℃，退火时间为10min～300min。退火温度可以调控刻蚀速率，退火时间可以调控单原子台阶的分布。
本发明解决的关键问题是如何在hBN表面上制备单原子层厚度的台阶。本发明的发明人经过大量试验惊奇地发现：在高温下，氢气对于六角氮化硼具有各向异性刻蚀的作用。刻蚀从会从六角氮化硼解理面上悬挂键较多的缺陷处和解理面边缘进行刻蚀。在适当的条件下，氢气对六角氮化硼边缘的刻蚀速率远远高于对六角氮化硼面内的刻蚀，同时通过调控温度和氢气含量可以控制刻蚀速率，从而达到从最顶层平面开始逐层刻蚀的效果，最终形成单原子台阶。
另外，本发明所提供的在六角氮化硼基底上刻蚀氮原子层台阶的工艺和目前CVD方法制备石墨烯的工艺过程可以整合在一个CVD设备中进行，即在hBN基底上实现了单原子层厚度台阶后，不需要取出样品，直接进行石墨烯的CVD生长，避免了样品表面污染。通过优化CVD制备石墨烯的工艺，控制石墨烯在台阶边缘的成核可以实现高质量石墨烯纳米带。
本发明还公开了上述具有单原子层台阶的六角氮化硼基底的用途，即可以用于制备石墨烯纳米带以及用于制备基于石墨烯纳米带的电子器件。
在本发明所提供的上述具有单原子层台阶的六角氮化硼基底上直接生长石墨烯，或是通过机械剥离的方法转移石墨烯到hBN表面，可实现均一的单层及双层石墨烯；并且可以直接在hBN基底上制备石墨烯纳米带，为石墨烯电子学器件奠定基础。
附图说明
图1是实施例1中机械剥离后hBN的原子力显微镜照片；
图2是实施例1中hBN刻蚀后具有单原子层台阶的原子力显微镜照片；
图3是实施例2中hBN刻蚀后表面原子力显微镜照片；
图4是实施例3中hBN刻蚀后表面原子力显微镜照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例描述，进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1：
第一步：以单晶hBN薄片为原料，在SiO2/Si基底上机械剥离得到具有新鲜解理面的hBN片层，如图1所示，其表面非常平整，没有任何台阶。
第二步：将第一步得到的hBN/SiO2基底放入管式炉，通入300sccm的氢氩混合气(H2∶Ar＝1∶3，体积比)，以20℃/min的升温速率升温到1200℃，恒温10min，然后随炉冷却，这样得到如图2所示的单原子层高度的台阶，高度分析显示台阶的高度差为0.34nm和0.33nm，为单个BN原子层台阶，台阶之间的间距为500nm左右。
实施例2：
第一步：以单晶hBN块体为基底，使用机械剥离的方法去除hBN表面层。
第二步：将基底放入管式炉，通入300sccm的氢氩混合气(H2∶Ar＝1∶6，体积比)，以20℃/min的升温速率升温到1100℃，恒温50min，然后随炉冷却，这样得到单原子层高度的台阶，如图3所示。台阶之间的间距为1-5微米。
实施例3：
第一步：以CVD方法生长的hBN为基底，使用机械剥离的方法去除hBN表面层。CVD方法制备hBN的过程如下：以环硼氮烷为BN源，以氩气为载气，在1000℃以金属Ni为基底，在5Pa压力下生长半小时得到hBN薄膜，将hBN薄膜转移到SiO2/Si基底上。
第二步：将基底放入管式炉，通入300sccm的氢氩混合气(H2∶Ar＝1∶9，体积比)，以20℃/min的升温速率升温到1000℃，恒温300min，最后随炉冷却，这样得到单原子层高度的台阶，如图4所示。台阶高度分析结果为0.35nm，为单个BN原子台阶，台阶之间的间距为2-5微米。
Claims (6)
1.一种具有单原子层台阶的六角氮化硼基底，其特征在于，所述六角氮化硼基底的解理面上具有单原子层台阶，所述单原子层台阶的单个台阶高度为一个氮化硼原子层的厚度。
2.如权利要求1所述的具有单原子层台阶的六角氮化硼基底，其特征在于，所述单原子层台阶之间的间距为50nm～20μm。
3.如权利要求1所述的具有单原子层台阶的六角氮化硼基底，其特征在于，所述单原子层台阶之间的间距为500nm～5μm。
4.如权利要求1-3任一所述的具有单原子层台阶的六角氮化硼基底，其特征在于，所述的六角氮化硼基底选自块体六角氮化硼单晶、用机械剥离法获得的单晶六角氮化硼薄片以及用化学气相沉积法制备的六角氮化硼基底。
5.如权利要求1-4任一所述的具有单原子层台阶的六角氮化硼基底的制备方法，包括如下步骤：将六角氮化硼基底的表面解理得到新鲜的原子表面；然后将其置于氢气与氩气的混合气体中进行退火处理，得到具有单原子层台阶的六角氮化硼基底；所述氢气与氩气的混合气体中，氢气与氩气的体积比为1:1～1:10；所述的退火处理的退火温度为1000℃～1200℃，退火时间为10min～300min。
6.如权利要求1-4任一所述的具有单原子层台阶的六角氮化硼基底在制备石墨烯纳米带以及制备基于石墨烯纳米带的电子器件中的应用。
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