CN113818072A - 一种六方氮化硼单晶生长方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于超硬材料制造技术领域，具体涉及一种六方氮化硼单晶生长方法。该方法包括原料预处理、压制、合成等步骤。本申请所提供的六方氮化硼单晶生长方法，合成制备时，其合成压力较低、合成效果稳定、合成效率较高，且合成的六方氮化硼单晶的尺寸可控，晶粒尺寸、厚度分布范围均匀，能够有效生长出高质量大尺寸的六方氮化硼单晶，适合工业化生产应用。

Description

一种六方氮化硼单晶生长方法
技术领域
本申请属于超硬材料制造技术领域，具体涉及一种六方氮化硼单晶生长方法。
背景技术
超硬材料立方氮化硼，通常是以六方氮化硼和触媒在高温高压下人工合成制备的。因此，六方氮化硼是超硬材料制备中必须的原材料。另一方面，六方氮化硼晶体作为二维材料的一种，具有和石墨烯相似的结构，都是六边形层状结构，并且二维氮化硼晶体和石墨烯的晶格也十分的相似，但不同的是六方氮化硼具有更大的带隙，其带隙大概为5.9eV。另外，六方氮化硼具有十分优异的介电性质，其良好的绝缘性在半导体器件中具有不可替代的作用。因此，六方氮化硼也被认为是二维半导体材料绝缘衬底的绝佳选择，对电子工业领域的应用和发展具有重要意义，在微电子器件和集成电路领域也有着非常大的发展前景。
现有技术中，电子工业领域用六方氮化硼主要以氮化硼为原料利用剥离法、化学气相沉积法来制备。其中，剥离法的可控性较差，无法得到尺寸分布均匀且层数分布均匀的六方氮化硼薄膜。化学气相沉积发虽然是制备高质量六方氮化硼薄膜的常用方法，且能够制备高质量的大尺寸六方氮化硼薄膜，但是其制作过程较为缓慢，且生产过程中有易燃易爆气体的使用，存在一定安全隐患，且该方法不适用制备有一定厚度的六方氮化硼单晶，因此，也具有一定的局限性。而鉴于常规的六方氮化硼单晶生长条件苛刻、制作成本高、质量层次不齐，因此，如何制备高质量的六方氮化硼单晶仍是目前业界亟需解决的技术难题。
发明内容
本申请目的在于提供一种制备效率高、原料成本低、高质量大尺寸的六方氮化硼单晶生长方法，从而为六方氮化硼的进一步生产应用奠定一定技术基础。
本申请所采取的技术方案详述如下。
一种六方氮化硼单晶生长方法，包括如下步骤：
（一）原料预处理
以普通市售hBN（六方氮化硼）为原料（质量标准要求为：粒度≤2μm、纯度≥98.5%），以MxByNz系熔剂（粒度≤100目）为触媒，将原料和触媒在三维混料机上充分混合5~10h；
所述MxByNz系熔剂，其中M为Mg或Ca；
以质量比计，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂=100:20~50；
（二）压制
将步骤（一）中混合均匀物料在液压机上压制成圆柱状，随后装入石墨加热体中，并一步装入叶腊石组装块中；
（三）合成
将步骤（二）中组装好的叶腊石块放入六面顶压机的高压腔体中进行合成，合成压力条件为2.0~4GPa、温度为1300℃~1800℃，保温时间为10~60min；
合成完毕后，进一步提纯处理得到六方氮化硼单晶。
本申请中，发明人认为MxByNz系熔剂作为触媒具有合成压力较低、合成效果稳定、合成效率较高等有点。因此利用其作为触媒进行了相关合成。初步生产应用结果表明，本申请所提供的六方氮化硼单晶生长方法，合成制备时，合成的六方氮化硼单晶的尺寸可控，晶粒尺寸、厚度分布范围均匀，能够有效生长出高质量大尺寸的六方氮化硼单晶，适合工业化生产应用。
附图说明
图1为实施例4所制备六方氮化硼单晶尺寸检测结果，测定结果表明，其单晶尺寸可达120μm左右；
图2为实施例4所制备六方氮化硼单晶厚度的电镜扫描（SEM）图；可以看出，其厚度数据较好；
图3为实施例4所制备六方氮化硼单晶的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。
实施例1
本实施例所提供的六方氮化硼单晶生长方法，具体操作步骤简介如下。
（一）原料预处理
以普通市售hBN（六方氮化硼）为原料（质量标准要求为：粒度≤2μm、纯度≥98.5%），以Mg3B2N4系熔剂（粒度≤100目）为触媒，将原料和触媒在三维混料机（转速为24r/min）上充分混合5h；
以质量比计，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Mg3B2N4=100:20；
（二）压制
将步骤（一）中混合均匀物料在液压机上压制成圆柱状（压制时，升压到15MPa保压1s后泄压，重复3次，压制成φ35mm高13mm的圆柱状），随后装入石墨加热体中，并一步装入叶腊石组装块中；
（三）合成
将步骤（二）中组装好的叶腊石块放入六面顶压机的高压腔体中进行合成，合成压力条件为2.5GPa、温度为1300℃，保温时间为10min；
合成完毕后，进一步通过摇床水洗、煮酸处理等提纯处理得到六方氮化硼单晶。
检测结果表明，制备所得六方氮化硼单晶的尺寸为30μm。
实施例2
本实施例所提供的六方氮化硼单晶生长方法，其制备方法与实施例1基本相同，仅调整部分工艺参数如下：
步骤（一）中，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Mg3B2N4=100:30；
步骤（三）中，合成压力条件为3GPa、温度为1400℃，保温时间为20min。
检测结果表明，制备所得六方氮化硼单晶的尺寸为50μm。
实施例3
本实施例所提供的六方氮化硼单晶生长方法，其制备方法与实施例1基本相同，仅调整部分工艺参数如下：
步骤（一）中，以Ca3B2N4系熔剂（粒度≤100目）为触媒，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Ca3B2N4=100:50；
步骤（三）中，合成压力条件为4GPa、温度为1700℃，保温时间为50min。
检测结果表明，制备所得六方氮化硼单晶的尺寸为80μm。
实施例4
本实施例所提供的六方氮化硼单晶生长方法，其制备方法与实施例1基本相同，仅调整部分工艺参数如下：
步骤（一）中，以Ca3B2N4系熔剂（粒度≤100目）为触媒，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Ca3B2N4=100:50；
步骤（三）中，合成压力条件为3GPa、温度为1600℃，保温时间为60min。
对该实施例所制备六方氮化硼单晶进行检测和测定，结果如图1、图2、图3所示。结果表明，制备所得六方氮化硼单晶的尺寸较大（可达120μm）、厚度较好、同时较为纯净，表现出较高的产品质量效果。

Claims (7)

1.一种六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（一）原料预处理
以hBN为原料，以MxByNz系熔剂为触媒，将原料和触媒充分混合；
所述MxByNz系熔剂，其中M为Mg或Ca；
以质量比计，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂=100:20~50；
（二）压制
将步骤（一）中混合均匀物料在压制成圆柱状，随后装入石墨加热体中，并一步装入叶腊石组装块中；
（三）合成
将步骤（二）中组装好的叶腊石块放入六面顶压机的高压腔体中进行合成，合成压力条件为2.0~4GPa、温度为1300℃~1800℃，保温时间为10~60min；
合成完毕后，进一步提纯处理得到六方氮化硼单晶。
2.如权利要求1所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，hBN原料质量标准要求为：粒度≤2μm、纯度≥98.5%，MxByNz系熔剂触媒要求为：粒度≤100目。
3.如权利要求1所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，所述MxByNz系熔剂具体为：Ca3B2N4或Mg3B2N4。
4.如权利要求3所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，步骤（一）中，以质量比计，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Mg3B2N4=100:20；
步骤（三）中，合成压力条件为2.5GPa、温度为1300℃，保温时间为10min。
5.如权利要求3所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，步骤（一）中，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Mg3B2N4=100:30；
步骤（三）中，合成压力条件为3GPa、温度为1400℃，保温时间为20min。
6.如权利要求3所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，步骤（一）中，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Ca3B2N4=100:50；
步骤（三）中，合成压力条件为4GPa、温度为1700℃，保温时间为50min。
7.如权利要求3所述六方氮化硼单晶生长方法，其特征在于，步骤（一）中，原料hBN：触媒MxByNz系熔剂Ca3B2N4=100:50；
步骤（三）中，合成压力条件为3GPa、温度为1600℃，保温时间为60min。
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