CN104313684A - 一种制备六方氮化硼二维原子晶体的方法 - Google Patents

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王浩林
刘鑫
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Abstract

本发明提供了一种制备六方氮化硼(h-BN)二维原子晶体的方法，其特征在于先在反应腔室中通入还原性气体，对铜箔衬底进行原位退火，去除其表面氧化层；再利用离子束溅射沉积(Ion Beam Sputtering Deposition，IBSD)方法，以氩离子束轰击h-BN靶材，在铜箔衬底表面高温沉积h-BN二维原子晶体。通过调节生长条件，可获得尺寸约为5μm的h-BN单晶畴，延长生长时间，也可获得高质量的h-BN连续薄膜。本发明解决了CVD法制备h-BN二维原子晶体时，前驱体热解副产物多、不易控制等问题，为制备大面积、高质量h-BN二维原子晶体提供了一种新的途径。

Description

一种制备六方氮化硼二维原子晶体的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别是一种实现六方氮化硼二维原子晶体制备的方法。 
背景技术
石墨烯因其独特的电学和光学性质，已成为电子及光电子器件和纳米材料领域的研究热点，并有望取代硅材料成为下一代半导体的基础材料。但受衬底界面态的影响，石墨烯在衬底上的迁移率通常难以达到理论水平。此外，由于缺乏合适的栅介质材料，石墨烯器件难以实现大规模集成。六方氮化硼二维原子晶体(hexagonal Boron Nitride，h-BN)与石墨烯结构类似，具有极高的面内弹性模量、高温稳定性、原子级平滑的表面和极少的表面悬挂键，并且与石墨烯晶格失配很小(1.8％)。因此，将石墨烯转移到h-BN衬底上，有利于还原本征石墨烯极高的载流子迁移率。同时，h-BN具有较低的介电常数和较高的击穿电场使之成为石墨烯电子器件的栅介质材料。因此，展开大面积可控制备h-BN二维原子晶体材料的研究对实现大面积石墨烯电子学的应用有重要意义。 
采用机械或化学剥离法制备出的h-BN二维原子晶体尺寸有限，难以获得实际应用。在超高真空(UHV)设备中，可在过渡金属单晶衬底表面制备单层h-BN，但UHV设备复杂昂贵，而且很难将制备的h-BN转移到其它衬底上。近年来，采用常压或低压化学气相沉积法(CVD)利用各种前驱体在过渡金属衬底表面热解成为制备h-BN的主要方法。CVD技术制备h-BN的前驱体主要包括：气态前驱体B2H6/NH3、液态前驱体硼吖嗪(B3N3H6)及固态前驱体硼烷氨(NH3-BH3)。但CVD生长过程异常复杂，各种生长参数相互关联。更为重要的是，在CVD生长h-BN中，选择合适的前驱体存在困难，如气态的乙硼烷属于剧毒气体，液态的硼吖嗪和 固态的硼烷氨稳定性差，易于水解，且价格昂贵、难以控制。因此，急需发展一种高质量、大面积、低成本的h-BN二维原子晶体的可控生长方法。 
发明内容
针对目前制备h-BN二维原子晶体的现状，本发明的目的在于提供一种制备高质量h-BN二维原子晶体的方法。 
本发明提供了一种实现六方氮化硼二维原子晶体制备的方法，其包括； 
步骤101：将过渡金属衬底依次在去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声洗净，吹干，再将衬底放入腔室内，并将腔室抽真空； 
步骤102：在还原性气体气氛下，对衬底进行原位退火； 
步骤103：退火完成后，关闭氢气并通入氩气，采用考夫曼宽束离子源，以离子源的离子轰击烧结六方氮化硼靶，在高温衬底表面生长六方氮化硼二维原子晶体； 
步骤104：生长完成后，长有六方氮化硼二维原子晶体的衬底在腔室中快速降至室温，然后将其从腔室中取出，完成制备过程。 
本发明首先对清洁的衬底在氢气中进行退火以使得表面更为平整并去除氧化层，然后用氩离子束轰击高纯氮化硼靶材，在高温铜箔衬底表面实现h-BN二维原子晶体的生长。该方法利用制备薄膜材料常用的离子束溅射设备，实现了h-BN二维原子晶体的制备，与常用的CVD法相比，本方法具有成本低、方法简易等优点。 
附图说明
图1是本发明中h-BN二维原子晶体的制备方法流程图； 
图2(a)～(b)分别为依照本发明实施例制备的h-BN二维原子晶体单晶畴及连续薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图像； 
图3为依照本发明实施例制备的h-BN二维原子晶体转移到Si/SiO2衬底上的拉曼光谱； 
图4为依照本发明实施例制备的h-BN二维原子晶体转移到石英衬底上的紫外-可见吸收光谱。 
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 
图1示出了本发明提出的一种六方氮化硼二维原子晶体制备的方法流程图。如图1所示，其包括： 
步骤101：将铜、镍等过渡金属衬底依次在去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声洗净，吹干，再将衬底放入腔室内，并将腔室抽真空； 
步骤102：在还原性气体气氛下，对衬底进行原位退火； 
步骤103：退火完成后，关闭氢气并通入氩气，采用考夫曼宽束离子源，以离子源的离子轰击烧结六方氮化硼靶，在高温衬底表面生长六方氮化硼二维原子晶体； 
步骤104：生长完成后，长有六方氮化硼二维原子晶体的衬底在腔室中快速降至室温，然后将其从腔室中取出，完成制备过程。 
下面以具体的实施例来说明本发明的上述制备过程。本实施例中制备步骤包括： 
用高纯烧结六方氮化硼靶作为溅射靶，以厚度为25μm的多晶铜箔为衬底；将铜箔沉底依次在去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声洗净，吹干，再将铜箔衬底放入离子束溅射沉积系统的腔室内，并将腔室真空抽至2×10-5Pa以下； 
在还原性氢气氛下，将铜箔在第一预定时间如40分钟内升至第一预定温度如1050℃，并在第一预定温度下恒温退火第二预定时间，所述第二预定时间在10-30分钟之间，最优为20分钟；其中，所述氢气流量为20～50sccm之间，最佳为30sccm，腔室压强为0.1～1.0Pa； 
退火完成后，关闭氢气并通入氩气，采用考夫曼宽束离子源，以Ar+离子轰击烧结六方氮化硼靶材，在高温衬底表面沉积h-BN二维原子晶体；其中沉积时离子源(Ar+)的离子能量及束流密度分别为U1：1000eV～2000eV，J1：180～220μA/cm2，最佳为200μA/cm2，氩气流量为2～10sccm，最佳为4sccm，工作压强PC为1.0～5.0×10-2Pa之间，最佳为2.8×10-2Pa，沉积过程中的衬底温度Ts保持在750～1050℃之间，最佳为950℃。对于 单晶畴样品生长时间为1-4分钟，最佳为3分钟，对于连续薄膜样品生长时间为4-10分钟。 
生长完成后，待炉温快速降至室温时，取出样品。为测试需要，部分样品可采用与转移石墨烯相同的湿法转移技术，将制备在铜箔衬底上的h-BN二维原子晶体转移到Si/SiO2衬底或石英衬底上。 
本发明提出的上述方法先在反应腔室中通入还原性气体，对铜箔衬底进行原位退火，去除其表面氧化层；再利用离子束溅射沉积(Ion Beam Sputtering Deposition，IBSD)方法，以氩离子束轰击h-BN靶材，在铜箔衬底表面高温沉积h-BN二维原子晶体。通过调节生长条件，可获得尺寸约为5μm的h-BN单晶畴，延长生长时间，也可获得高质量的h-BN连续薄膜。本发明解决了CVD法制备h-BN二维原子晶体时，前驱体热解副产物多、不易控制等问题，为制备大面积、高质量h-BN二维原子晶体提供了一种新的途径。 
按照上述工艺条件，实现了在铜箔衬底上生长h-BN二维原子晶体。图2(a)、(b)分别给出了生长时间为3分钟和10分钟样品的SEM图像。图2中可见，h-BN的晶畴呈三角形，尺寸为5μm左右，与CVD方法生长的h-BN单晶畴尺寸相当。当生长时间延长到10分钟时h-BN单晶畴逐渐合并，并形成连续薄膜。图3为转移到Si/SiO2衬底上的h-BN二维原子晶体的拉曼光谱，图中显示1370cm-1处有一个很强的吸收峰，与h-BN的E2g振动模式相对应。转移到石英衬底上的h-BN二维原子晶体的紫外-可见吸收光谱(图4)显示样品在可见光范围内基本无吸收，在210nm处有一较强吸收峰，经计算得到其禁带宽度约为5.77eV。拉曼光谱和紫外可见吸收光谱一致表明，通过该方法可制备出高质量的h-BN二维原子晶体。 
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种实现六方氮化硼二维原子晶体制备的方法，其特征在于，包括；
步骤101：将过渡金属衬底依次在去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇分别超声洗净，吹干，再将衬底放入腔室内，并将腔室抽真空；
步骤102：在还原性气体气氛下，对衬底进行原位退火；
步骤103：退火完成后，关闭氢气并通入氩气，采用考夫曼宽束离子源，以离子源的离子轰击烧结六方氮化硼靶，在高温衬底表面生长六方氮化硼二维原子晶体；
步骤104：生长完成后，长有六方氮化硼二维原子晶体的衬底在腔室中快速降至室温，然后将其从腔室中取出，完成制备过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤102中进行退火时，所述还原性气体为氢气，流量为30sccm，腔室压强在0.1～1.0Pa之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤102中，退火时衬底的温度为1050℃。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤103中，生长六方氮化硼二维原子晶体的能量为1000～2000eV，束流密度为180～220μA/cm2。
5.如权利要求4所述的方法，其中，束流密度为200μA/cm2。
6.如权利要求1所述的方法，其中，步骤103中，生长六方氮化硼二维原子晶体的衬底温度为750～1050℃之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中，步骤103中，生长六方氮化硼二维原子晶体的工作压强PC为1.0～5.0×10-2Pa之间。
8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤103中，生长的六方氮化硼二维原子晶体为单晶畴或晶体薄膜。
9.如权利要求8所述的方法，其中，六方氮化硼二维原子晶体单晶畴的生长时间为1-4分钟，六方氮化硼二维原子晶体薄膜的生长时间为4-10分钟。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其中，所述过渡金属衬底为铜箔或镍箔。
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