JP2019503326A - 窒化ホウ素材料およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
窒化ホウ素(BN)または炭窒化ホウ素(BCN)などの窒化ホウ素材料の製造方法が提供される。本方法は、基材を提供する工程と、基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程とを含んでもよい。アミンボラン錯体は、ボラジン、アミノボラン、トリメチルアミンボラン、およびトリエチルアミンボランを含んでもよいが、それらに限定されない。また、形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。また、本方法を用いることにより、様々なモルフォロジー、すなわちフィルム、ナノチューブ、および多孔質フォームを得ることができる。
Description
様々な実施形態は、窒化ホウ素材料および窒化ホウ素材料の製造方法に関連している。
六方晶窒化ホウ素(h−BN)は、黒鉛のハニカム格子構造に似た、そのハニカム格子構造のために「白色黒鉛」としても知られている。二次元(2D)系統における絶縁材として、かつその原子の滑らかさおよび表面ダングリングボンドの低い密度と一体となって独特であるから、h−BNは、多くの傑出した特性を示し、様々な高性能2Dヘテロ構造デバイスおよび次世代2Dヘテロ構造エレクトロニクス、保護コーティング、熱界面材料、ならびにヒートスプレッダ用のグラフェン、および遷移金属ジカルコゲナイド(TMD)などの他の2D材料のための基材または誘電材料として使用され得る。厳しい条件に耐えるその能力のために、h−BNは、黒リン(BP)などの酸化により敏感な材料のデバイス分解を防ぐための極薄封入層としても使用され得る。
工業化および製造可能性の必要性によって動機付けられて、表面偏析法、固体ソース拡散、イオンビームスパッタリング堆積(IBSD)、パルスレーザ堆積(PLD)、反応性マグネトロンスパッタリング、および分子線エピタキシー(MBE)などの、遠い距離にわたって原子的に薄いh−BNフィルムを達成するための様々な合成技術が探査されてきた。
原料ガスとしてアンモニア(NH3)などのN含有ガス状前駆体と一緒に三臭化ホウ素(BBr3)、三フッ化ホウ素(BF3)、三塩化ホウ素(BCl3)およびジボラン(B2H6)などの伝統的なB含有ガス状前駆体がBNフィルム成長のために探査されてきた。しかし、これらのB含有化合物は非常に有毒であり、そのことは、それらの用途を制限する。したがって、比較的低い毒性およびコストの他の代替品の探査および開発ならびに高品質BNフィルム成長のためのそれらの対応する方法が依然として差し迫って必要とされている。
BNおよびグラフェンドメイン(BNC)の複合体を含有する三元フィルムは、CH4を反応に混ぜ込むことによる追加のC含有前駆体を使用して製造され得る。100nm超の厚さのバルク非晶質、テクスチャー加工またはナノ結晶性BNCフィルムが、典型的にはSi基材上に成長させられ得る。しかし、原子的に薄い高結晶性フィルムは、触媒活性の欠如、エピタキシャル関係および異なる成長メカニズムのためにSiまたは他の誘電体基材上に堆積させることができない。この場合、BNまたはBNCフィルムの成長は、非制御の核形成および前駆体の不完全分解のためにランダムに配向する。
上記を考慮して、上述の問題の1つ以上を克服するか、あるいは少なくとも軽減する窒化ホウ素材料の改善された製造方法が依然として必要とされている。
第1の態様では、窒化ホウ素材料の製造方法が提供される。その方法は、
a)基材を提供する工程と、
b)基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程と
を含み、形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させる。
a)基材を提供する工程と、
b)基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程と
を含み、形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させる。
第2の態様では、第1の態様による方法によって製造された窒化ホウ素材料が提供される。
本発明は、非限定的な実施例および添付図面と併せて考慮される場合に詳細な説明に関してより良く理解されるであろう。
本発明は、非限定的な実施例および添付図面と併せて考慮される場合に詳細な説明に関してより良く理解されるであろう。
有利には、形成される窒化ホウ素材料の組成は、アミンボラン錯体の昇華が行われる温度を変化させることにより本明細書で開示される方法を用いて制御可能に調整され得る。例えば、プリスティン窒化ホウ素から痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素まで、窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素複合物までの窒化ホウ素材料が製造され得る。実施形態による得られたフィルムは、約6.13eVから約5.92eVまでの光学的バンドギャップ(OBG)を有し、紫外−可視分光法(UV−vis)によって測定されるように赤外および可視スペクトルの全体にわたってほぼ100%透過率で高透過性である。本明細書で開示される方法は、極めて万能であり、単一ソース前駆体としてアミンボラン錯体を使用して、窒化ホウ素ナノチューブ(一次元)、窒化ホウ素フィルム(二次元)、および多孔質窒化ホウ素構造物(三次元)などの、異なるモルフォロジーの窒化ホウ素材料を製造するために用いられ得る。とりわけ、単分子層単結晶を含む大面積の、原子的に薄い窒化ホウ素フィルムおよび多層炭素ドープ窒化ホウ素フィルムが製造され得る。化学蒸着(CVD)が本方法の基盤を形成し得る。設計および操作のその簡単さのために、本明細書で開示される実施形態による方法は、大量生産のために容易に採用され得るおよび/またはスケールアップされ得る。
上記を念頭に置いて、第1の態様の様々な実施形態は、窒化ホウ素材料の製造方法。
本明細書で用いるところでは、用語「窒化ホウ素材料」は、窒化ホウ素ならびに、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素などの、炭素を含有する窒化ホウ素および窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素複合物を意味する。
本明細書で用いるところでは、用語「窒化ホウ素材料」は、窒化ホウ素ならびに、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素などの、炭素を含有する窒化ホウ素および窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素複合物を意味する。
窒化ホウ素は、化学式BNを有し、立方晶型(c−BN)でおよび六方晶型(h−BN)で存在する。立方晶型の窒化ホウ素は、構造および硬度(ダイヤモンドに次いで2番目の硬度)の両方でダイヤモンドに似ているが、六方晶窒化ホウ素は、構成要素原子がハニカムパターンに配置された積み重ねシートからなり、また良好な熱導体であるという点において黒鉛に似ている。h−BNは、グラフェンをベースとする電気デバイス用のシリコンよりも優れた基材であることがまた示されている。しかし、黒鉛とは違って、h−BNは、約5.2eVのバンドギャップを持った電気絶縁体であり、ほぼ3000℃の溶融温度で黒鉛よりもはるかに高い熱安定性を有する。
様々な実施形態において、窒化ホウ素材料は六方晶窒化ホウ素を含む。任意選択的に、窒化ホウ素材料は炭素を含有する。例えば、窒化ホウ素材料は、六方晶窒化ホウ素、炭素原子でドープされた六方晶窒化ホウ素、および/または窒化ホウ素内の1つまたは複数のドメインとして炭素を含有する六方晶窒化ホウ素複合物であってもよい。以下に考察されるように、本明細書で開示される方法を用いて製造された窒化ホウ素材料はまた、窒化ホウ素ナノチューブ(一次元)、窒化ホウ素フィルム(二次元)、および多孔質窒化ホウ素構造物(三次元)などの、異なるモルフォロジーを有し得る。
様々な実施形態による方法は、基材を提供する工程と、基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程とを含む。有利には、アミンボラン錯体の形態の単一のソース前駆体は、それが単一の分子中に元素ホウ素および窒素(それぞれBおよびN)を含有するため、窒化ホウ素材料を製造するために使用され得る。いくつかの実施形態において、アミンボラン錯体は、単一の分子中にホウ素、炭素および窒素(それぞれB、CおよびN)を含有し得る。アンモニアボランについての場合におけるように、これらの前駆体は、加熱するとすぐに分解し、B含有およびN含有誘導体(ここで、前駆体はBおよびNを含有する)、またはB含有、C含有、およびN含有誘導体(ここで、前駆体はB、C、およびNを含有する)を生成する。これは、アミンボラン錯体が比較的低いコストであり、かつ、毒性が少ないため、三臭化ホウ素(BBr3)、三フッ化ホウ素(BF3)、三塩化ホウ素(BCl3)およびジボラン(B2H6)などのホウ素ソース、ならびにメラミン、尿素またはアンモニアなどの窒素ソースの形態での2つ以上の前駆体ソースが使用される最先端技術方法に勝るとも劣らない。
アミンボラン錯体は、一般式R3N・BX3[式中、Xはそれぞれ、水素およびハロゲンからなる群から独立して選択され、Rはそれぞれ、水素、置換または非置換C1〜C20アルキル、置換または非置換C1〜C20アルコキシ、置換または非置換C2〜C20アルケニル、置換または非置換C2〜C20アルキニル、置換または非置換C3〜C20脂環式基、置換または非置換C5〜C15アリール、置換または非置換C6〜C30アルキルアリール、置換または非置換C3〜C20複素環、置換または非置換C4〜C30アルキル複素環、置換または非置換C5〜C15ヘテロアリール、−NR’’R’、−NR’’、−OR’’、−SR’’、−CN、−NO2、−C(O)−R’’、−COOR’’、−C(O)−NR’’R’、−C(NR’’)−R’、−SO2−R’’、−(SO2)−OR’’、−C(S)−R’’、および−C(S)−NR’’R’からなる群から独立して選択され、R’’およびR’は、H、ハロゲン、置換または非置換C1〜C20アルキル、置換または非置換C1〜C20アルコキシ、置換または非置換C2〜C20アルケニル、置換または非置換C2〜C20アルキニル、および置換または非置換C5〜C15アリールからなる群から独立して選択される]を有し得る。
本文脈において、用語「脂肪族」は、単独でまたは組み合わせて、少なくとも1個の炭素原子を含む直鎖(すなわち、線状)または分岐鎖炭化水素を意味する。ある種の実施形態において、脂肪族は、任意選択的に置換されている、すなわち、置換または非置換である。脂肪族は、アルキル、アルケニル、およびアルキニルを含む。脂肪族は、メチル、エチル、プロポル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、tert−ブチル、ペンチル、ヘキシル、エテニル、プロペニル、ブテニル、エチニル、ブチニル、プロピニルなどを含むが、それらに限定されない。
用語「任意選択的に置換された」または「置換または非置換」は、本明細書で用いるところでは、水素原子のどれも置き換えられていない基、水素原子の1個、または2個以上が、アルキル、ヘテロアルキル、ハロアルキル、ヘテロハロアルキル、シクロアルキル、アリール、アリールアルキル、ヘテロアリール、非芳香族複素環、ハロゲン、シアノ、ヒドロキシ、ニトロ、シリル、またはアミノ基などの、しかしそれらに限定されない1つまたは複数の基で置き換えられている基を意味する。
用語「直鎖状」は、本明細書で用いるところでは、分岐点をまったく持たない炭素原子主鎖のそれぞれを意味する。用語「分枝状」は、1つまたは複数の側鎖がそれに結合した原子の鎖を意味する。分岐は、共有結合した置換基または部分、例えばアルキル基での、置換基、例えば、水素原子の置換によって起こる。
用語「ハロゲン」は、本明細書で用いるところでは、フッ素、塩素、臭素、およびヨウ素からなる群から選択されるハロゲン系統のメンバーを意味する。
本文脈において、用語「アルキル」は、単独でまたは組み合わせて、完全に飽和した脂肪族炭化水素を意味する。アルキルは、直鎖状であっても分枝状であってもよい。ある種の実施形態において、アルキルは、任意選択的に置換されている。ある種の実施形態において、アルキルは、1〜20個の炭素原子、例えば1〜10個の炭素原子を含み、ここで(それが、以下に与えられる定義のいずれかで本明細書中に出現するときはいつでも)「1〜20」または「C1〜C20」などの数範囲は、所与の範囲中の各整数を意味し、例えば「C1〜C20アルキル」は、アルキル基が、たった1個の炭素原子、2個の炭素原子、3個の炭素原子、4個の炭素原子、5個の炭素原子、6個の炭素原子、7個の炭素原子、8個の炭素原子、9個の炭素原子、10個の炭素原子、11個の炭素原子、12個の炭素原子、13個の炭素原子、14個の炭素原子、15個の炭素原子、16個の炭素原子、17個の炭素原子、18個の炭素原子、19個の炭素原子、または20個の炭素原子を含むことを意味する。低級アルキルは、1〜8個、好ましくは1〜6個、より好ましくは1〜4個の炭素原子を意味する。
本文脈において、用語「アルキル」は、単独でまたは組み合わせて、完全に飽和した脂肪族炭化水素を意味する。アルキルは、直鎖状であっても分枝状であってもよい。ある種の実施形態において、アルキルは、任意選択的に置換されている。ある種の実施形態において、アルキルは、1〜20個の炭素原子、例えば1〜10個の炭素原子を含み、ここで(それが、以下に与えられる定義のいずれかで本明細書中に出現するときはいつでも)「1〜20」または「C1〜C20」などの数範囲は、所与の範囲中の各整数を意味し、例えば「C1〜C20アルキル」は、アルキル基が、たった1個の炭素原子、2個の炭素原子、3個の炭素原子、4個の炭素原子、5個の炭素原子、6個の炭素原子、7個の炭素原子、8個の炭素原子、9個の炭素原子、10個の炭素原子、11個の炭素原子、12個の炭素原子、13個の炭素原子、14個の炭素原子、15個の炭素原子、16個の炭素原子、17個の炭素原子、18個の炭素原子、19個の炭素原子、または20個の炭素原子を含むことを意味する。低級アルキルは、1〜8個、好ましくは1〜6個、より好ましくは1〜4個の炭素原子を意味する。
アルキル基の例としては、メチル、エチル、1−プロピルまたはn−プロピル(「n−Pr」)、2−プロピルまたはイソプロピル(「i−Pr」)、1−ブチルまたはn−ブチル(「n−Bu」)、2−メチル−l−プロピルまたはイソブチル(「i−Bu」)、1−メチルプロピルまたはs−ブチル(「s−Bu」)、および1,1−ジメチルエチルまたはt−ブチル(「t−Bu」)が挙げられる。アルキル基の他の例としては、1−ペンチル、2−ペンチル、3−ペンチル、2−メチル−2−ブチル、3−メチル−2−ブチル、3−メチル−1−ブチル、2−メチル−l−ブチル、1−ヘキシル、2−ヘキシル、3−ヘキシル、2−メチル−2−ペンチル、3−メチル−2−ペンチル、4−メチル−2−ペンチル、3−メチル−3−ペンチル、2−メチル−3−ペンチル、2,3−ジメチル2−ブチルおよび3,3−ジメチル−2−ブチル基が挙げられる。
本文脈において、用語「アルコキシ」は、単独でまたは組み合わせて、アルキル−O−部分を有する脂肪族炭化水素を意味する。アルコキシは、直鎖状であっても分枝状であってもよい。ある種の実施形態において、アルコキシ基は、任意選択的に置換されている。様々な実施形態において、アルコキシは、1〜20個の炭素原子、すなわち、C1〜C20アルコキシを含む。アルコキシ基の例としては、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシなどが挙げられるが、それらに限定されない。
本文脈において、用語「アルケニル」は、単独でまたは組み合わせて、2つまたは3つの炭素−炭素二重結合などの、1つまたは複数の炭素−炭素二重結合を有する脂肪族炭化水素を意味する。アルケニルは、直鎖状であっても分枝状であってもよい。ある種の実施形態において、アルケニルは、任意選択的に置換されている、すなわち、置換または非置換である。ある種の実施形態において、アルケニルは、2〜18個、または2〜12個、または2〜6個の炭素原子などの、2〜20個の炭素原子を含む。「C2〜C20アルケニル」は、アルケニル基が、たった2個の炭素原子、3個の炭素原子、4個の炭素原子、5個の炭素原子、6個の炭素原子、7個の炭素原子、8個の炭素原子、9個の炭素原子、10個の炭素原子、11個の炭素原子、12個の炭素原子、13個の炭素原子、14個の炭素原子、15個の炭素原子、16個の炭素原子、17個の炭素原子、18個の炭素原子、19個の炭素原子、または20個の炭素原子を含むことを意味する。低級アルケニルは、2〜8個、2〜6個または2〜4個の炭素原子を意味する。式H2C=CH−CH2−を有するアリル基は、アルケニル基の例である。アルケニルのさらなる例としては、エテニル、プロペニル、ブテニル、1,4−ブタンジエニル、ペンテニル、ヘキセニル、4−メチルヘキサ−1−エニル、4−エチル−2−メチルヘキサ−1−エニルなどが挙げられるが、それらに限定されない。
本文脈において、用語「アルキニル」は、単独でまたは組み合わせて、2つまたは3つの炭素−炭素三重結合などの、1つまたは複数の炭素−炭素三重結合を有する脂肪族炭化水素を意味する。アルキニルは、直鎖状であっても分枝状であってもよい。ある種の実施形態において、アルキニルは、任意選択的に置換されている、すなわち、置換または非置換である。ある種の実施形態において、アルキニルは、2〜18個、または2〜12個、または2〜6個の炭素原子などの、2〜20個の炭素原子を含む。「C2〜C20アルキニル」は、アルキニル基が、たった2個の炭素原子、3個の炭素原子、4個の炭素原子、5個の炭素原子、6個の炭素原子、7個の炭素原子、8個の炭素原子、9個の炭素原子、10個の炭素原子、11個の炭素原子、12個の炭素原子、13個の炭素原子、14個の炭素原子、15個の炭素原子、16個の炭素原子、17個の炭素原子、18個の炭素原子、19個の炭素原子、または20個の炭素原子を含むことを意味する。低級アルキニルは、2〜8個、2〜6個または2〜4個の炭素原子を意味する。アルキニルの例としては、エチニル、プロピニル、ブチニルなどが挙げられるが、それらに限定されない。
本文脈において、用語「非芳香環」は、芳香族ではない共有結合により閉じた環を含む基を意味する。用語「脂環式」は、環を形成する原子のそれぞれが炭素原子であり、単環式および多環式(例えば、二環式および三環式)基にさらに分類されてもよい非芳香環を含む基を意味する。脂環式基は、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、または9個超の炭素原子などの、3〜20個、または3〜12個、または3〜8個、または3〜6個の炭素原子から形成されていてもよい。ある種の実施形態において、脂環式は、任意選択的に置換されている、すなわち、置換または非置換である。ある種の実施形態において、脂環式は、1つまたは複数の炭素−炭素二重結合などの、1つまたは複数の不飽和結合を含む。脂環式は、シクロアルキルおよびシクロアルケニルを含む。脂環式の例としては、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロペンテン、シクロペンタジエン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、1,3−シクロヘキサジエン、1,4−シクロヘキサンジエン、シクロヘプタン、およびシクロヘプテンが挙げられるが、それらに限定されない。
本文脈において、用語「アリール」は、環を形成する原子のそれぞれが炭素原子である芳香環を意味する。アリール環は、5個、6個、7個、8個、9個または9個超の炭素原子で形成されていてもよい。アリール基は、任意選択的に置換されていてもよい。例えば、アリール基は、フェニルなどの、5員および6員炭素環芳香環;例えば、ナフタレン、インダン、および1,2,3,4−テトラヒドロキノリンから選択される、少なくとも1つの環が炭素環式および芳香族である7〜12員二環式環系などの二環式環系;ならびに少なくとも1つの環が炭素環式および芳香族である10〜15員三環式環などの三環式環系、例えば、フルオレンであってもよい。
用語「アルキルアリール」は、本明細書で用いるところでは、アリール基または置換アリール基に結合したアルキル基を含有する化学置換基を一般に意味する。用語「アラルキル」および「アリールアルキル」は、本明細書で単独でまたは組み合わせて用いるところでは、本明細書で定義されるようなアルキルの化学種であり、特に、1個の水素原子が、上に定義されたようなアリール基で置き換えられている上に定義されたようなアルキル基を意味する。
本明細書で同じ意味で用いられるような、用語「複素環式」または「複素環」または「ヘテロシクリル」は、酸素、硫黄、および窒素から選択される、1つ、2つ、3つまたは4つのヘテロ原子に加えて少なくとも1個の炭素原子を含む4員〜12員の単環式、二環式および三環式の、飽和のおよび部分不飽和の環から選択される環を意味する。「複素環」はまた、5員、6員、および/または7員シクロアルキル、単素環式芳香環またはヘテロ芳香環と縮合した、N、O、およびSから選択される少なくとも1つのヘテロ原子を含む5員〜7員の複素環を意味し、ただし、複素環が単素環式芳香環またはヘテロ芳香環と縮合している場合には結合点は複素環においてであり、かつ、複素環がシクロアルキルと縮合している場合には結合点はシクロアルキルまたは複素環においてであり得る。
「複素環」はまた、N、O、およびSから選択される少なくとも1つのヘテロ原子を含む脂肪族スピロ環を意味し、ただし、結合点は複素環においてである。環は、飽和であっても、または少なくとも1個の二重結合を有し得る(すなわち、部分不飽和)。複素環は、オキソで置換されていてもよい。結合点は、複素環における炭素であっても、ヘテロ原子であってもよい。複素環は、本明細書で定義されたようなヘテロアリールではない。複素環の例としては、(優先順位1を割り当てられる結合位置から番号が付けられるように)1−ピロリジニル、2−ピロリジニル、2,4−イミダゾリジニル、2,3−ピラゾリジニル、1−ピペリジニル、2−ピペリジニル、3−ピペリジニル、4−ピペリジニル、2,5−ピペラジニル、ピラニル、2−モルホリニル、3−モホリニル、オキシラニル、アジリジニル、チイラニル、アゼチジニル、オキセタニル、チエタニル、1,2−ジチエタニル、1,3−ジチエタニル、ジヒドロピリジニル、テトラヒドロピリジニル、チオモルホリニル、チオキサニル、ピペラジニル、ホモピペラジニル、ホモピペリジニル、アゼパニル、オキセパニル、チエパニル、1,4−オキサチアニル、1,4−ジオキセパニル、1,4−オキサチエパニル、1,4−オキサアゼパニル、1,4−ジチエパニル、1,4−チアゼパニルおよび1,4−ジアゼパン 1,4−ジチアニル、1,4−アザチアニル、オキサゼピニル、ジアゼピニル、チアゼピニル、ジヒドロチエニル、ジヒドロピラニル、ジヒドロフラニル、テトラヒドロフラニル、テトラヒドロチエニル、テトラヒドロピラニル、テトラヒドロチオピラニル、1−ピロリニル、2−ピロリニル、3−ピロリニル、インドリニル、2H−ピラニル、4H−ピラニル、1,4−ジオキサニル、1,3−ジオキソラニル、ピラゾリニル、ピラゾリジニル、ジチアニル、ジチオラニル、ピラゾリジニルイミダゾリニル、ピリミジノニル、l,l−ジオキソ−チオモホリニル、3−アザビシクロ[3.1.0]ヘキサニル、3−アザビシクロ[4.1.0]ヘプタニルおよびアザビシクロ[2.2.2]ヘキサニルが挙げられるが、それらに限定されない。
用語「アルキル複素環」は、本明細書で用いるところでは、複素環または置換複素環に結合したアルキル基を含有する化学置換基を一般に意味する。
本文脈において、用語「ヘテロアリール」は、芳香族複素環を意味する。ヘテロアリール環は、5個、6個、7個、8個、9個、または9個超の原子で形成されてもよい。ヘテロアリールは、任意選択的に置換されていてもよい。ヘテロアリール基の例としては、1個の酸素または硫黄原子または4個以下の窒素原子、または1個の酸素または硫黄原子と2個以下の窒素原子との組み合わせを含む芳香族C5〜C15複素環基、およびそれらの置換誘導体ならびに、例えば、環形成炭素原子の1個によって連結された、ベンゾおよびピリド縮合誘導体が挙げられるが、それらに限定されない。
本文脈において、用語「ヘテロアリール」は、芳香族複素環を意味する。ヘテロアリール環は、5個、6個、7個、8個、9個、または9個超の原子で形成されてもよい。ヘテロアリールは、任意選択的に置換されていてもよい。ヘテロアリール基の例としては、1個の酸素または硫黄原子または4個以下の窒素原子、または1個の酸素または硫黄原子と2個以下の窒素原子との組み合わせを含む芳香族C5〜C15複素環基、およびそれらの置換誘導体ならびに、例えば、環形成炭素原子の1個によって連結された、ベンゾおよびピリド縮合誘導体が挙げられるが、それらに限定されない。
様々な実施形態において、Xは水素である。
Rは、それぞれ独立して、1〜10個の炭素原子の直鎖状または分枝状の非置換アルキルであってもよい。より好ましくは、Rは、それぞれ独立して、1〜5個の炭素原子の直線状又は分枝状の非置換アルキルである。具体的な実施形態において、Rはメチルである。
Rは、それぞれ独立して、1〜10個の炭素原子の直鎖状または分枝状の非置換アルキルであってもよい。より好ましくは、Rは、それぞれ独立して、1〜5個の炭素原子の直線状又は分枝状の非置換アルキルである。具体的な実施形態において、Rはメチルである。
アミンボラン錯体の例としては、アミノボラン(H2B=NH2)、ボラジン(B3N3H6)、アンモニアボラン(H3B−NH3)、メチルアミンボラン(CH3)H2N−BH3、ジメチルアミンボラン((CH3)2HN−BH3)、およびトリメチルアミンボラン((CH3)3N−BH3)、ならびにそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。アンモニアボランおよびトリメチルアミンボラン(TMAB、(CH3)3N・BH3)などの、上述のアミンボラン錯体は、単一分子中に元素BおよびNを含有し、窒化ホウ素を製造するための単一ソース前駆体として本明細書で使用され得る。いくつかの実施形態において、アミンボラン錯体は、単一分子中にB、NおよびCを含有し、窒化ホウ素、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素、ならびに/または窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素複合物であってもよい、窒化ホウ素材料を製造するための単一ソース前駆体として使用され得る。有利には、はるかに毒性が少ない、かつ、固有の1:1B/N化学量論を有し得る、そのようなアミンボラン錯体は、寸法が100μmを超える大型の単結晶ドメインを調製するために使用され得る。
いくつかの実施形態において、アミンボラン錯体は、トリメチルアミンボランを含む。トリメチルアミンボランの使用は、製造の観点からその魅力を提供する、アンモニアボランと比べてそのより低いコストのために好ましいかもしれない。
アミンボラン錯体は、窒化ホウ素材料を得るために基材上に昇華させられ得る。本明細書で用いるところでは、用語「昇華」は、月並みであるように、直接固相−気相変化を意味する。材料は、液相を経由することなく、例えば、固相から直接気相へ変化し得る。気化したBN前駆体は基材上に導かれてもよく、そこでそれらは、金属基材などの基材のかさ中へ吸収され、その後冷却するとすぐにCu、Ni、およびPtなどの様々な触媒金属上に析出して原子的に薄いフィルム(単分子層を含む)BNフィルムの層を形成し得る。寸法が100μmを超える大型の単結晶ドメインが調製され得る。
形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。一般に、約0重量%〜約5重量%の炭素でドープされた窒化ホウ素を形成するために、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約100℃未満の温度で行われてもよい。有利には、そのような処理条件下で、窒化ホウ素材料は、1つまたは複数の単結晶ドメインを含んでもよく、ここで、1つまたは複数の単結晶ドメインのそれぞれは、100μm以上の最大寸法を有し得る。
様々な実施形態において、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約50℃以下、好ましくは約40℃以下の温度で行われる。例えば、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約25℃〜約50℃、約35℃〜約50℃、約15℃〜約40℃、約15℃〜約30℃、約25℃〜約40℃、または約20℃〜約35℃などの、約15℃〜約50℃の範囲の温度で行われてもよい。いくつかの実施形態において、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、周囲温度で行われ、ここで、用語「周囲温度」は、本明細書で用いるところでは、約20℃〜約40℃の温度を意味する。
この温度範囲で昇華を行う際に、形成される窒化ホウ素材料は本質的に窒化ホウ素からなってもよい。いくつかの実施形態において、窒化ホウ素材料は、窒化ホウ素のみからなる。用語「本質的になる」とは、窒化ホウ素材料が、例えば、アミンボラン錯体中におよび/または製造プロセスの間に存在する炭素に起因し得る、痕跡量の他の物質を含有し得ることを意味する。痕跡量の他の物質は、2原子%未満、好ましくは1原子%未満、さらにより好ましくは0.5原子%未満などの、5原子%未満の量で存在してもよい。
様々な実施形態において、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約50℃を超えてかつ約100℃未満の温度で行われる。いくつかの実施形態において、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、60℃以上、および約100℃未満の温度で行われる。例えば、アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約55℃〜約95℃、約60℃〜約95℃、約75℃〜約95℃、約55℃〜約80℃、約55℃〜約75℃、または約55℃〜約65℃などの、約51℃〜約99℃の範囲の温度で行われてもよい。
この温度範囲で昇華を行う際に、形成される窒化ホウ素材料は、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素であってもよい。用語「ドープされた」とは、材料の物理的または化学的特性を変えるために低濃度で材料に添加される添加剤または元素に関する。窒化ホウ素材料中の炭素の量は、約3重量%〜約5重量%の炭素、約4重量%〜約5重量%の炭素、約2重量%〜約4重量%の炭素、約2重量%〜約3重量%の炭素、または約3重量%〜約4重量%の炭素などの約2重量%〜約5重量%の炭素であってもよい。
例えば、図1Gに示されているように、炭素は、窒化ホウ素材料内にランダムに相互分散していてもよい。これは、炭素が窒化ホウ素内にドメインとして存在する図1Fに示される構造とは異なる。
実施形態において、窒化ホウ素材料は、窒化ホウ素と炭素との1つまたは複数のドメインを含む窒化ホウ素複合物であり、図1Fに示される構造を有し得る。窒化ホウ素材料は、約100℃〜約200℃、または約100℃〜約150℃などの、約100℃〜約200℃の範囲にあってもよい、約100℃以上の温度でアミンボラン錯体を昇華させることによって得られ得る。
上述のとおり、本明細書で開示される方法を用いて製造された窒化ホウ素材料は、窒化ホウ素ナノチューブ(一次元)、窒化ホウ素フィルム(二次元)、および多孔質窒化ホウ素構造物(三次元)などの、異なるモルフォロジーを有し得る。これは、使用される基材のタイプに応じて達成され得る。
例えば、窒化ホウ素材料が窒化ホウ素ナノチューブである実施形態において、基材は、支持体上に配置された不連続な粒子状の金属の層を有するものであってもよい。したがって、基材を提供する工程は、不連続な粒子状の金属の層が支持体上に配置されている基材を提供することを含んでもよい。
支持体上に配置された金属の層は、約1nm〜約5nm、約2nm〜約5nm、約3nm〜約5nm、約0.5nm〜約4nm、約0.5nm〜約3nm、または約2nm〜約4nmなどの、約0.5nm〜約5nmの範囲の厚さを有する薄層であってもよい。そのような厚さで金属の層は基材の表面上に島の形態で存在してもよい。本明細書で用いるところでは、用語「島」は、層から突き出ている明確な幾何学的形状を有する層の独特のエリアを意味する。金属の層は、基材上の金属島が合体して連続フィルムを形成することができる、島成長メカニズムによって形成されてもよい。
金属は、元素の周期系の族3〜族12から選択されてもよい。様々な実施形態において、金属は遷移金属である。遷移金属の例としては、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、およびそれらの合金が挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの実施形態において、金属は、ニッケル、鉄、それらの合金、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
支持体は、ほんの数例を挙げると、ガラス、金属、セラミックス、有機ポリマー材料、プラスチック、半導体などの、任意の好適な材料のものであってもよい。さらに、これらの材料の複合体も基材として使用され得る。具体的な実施形態において、基材はガラス基材である。
窒化ホウ素錯体の昇華中に、窒化ホウ素前駆体は、金属の層中へ吸収され、図15Aおよび図15Bにそれぞれ示されるものなどの先端成長メカニズムおよび/または根成長メカニズムによってナノチューブを形成する。上述のとおり、形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。
上述に加えて、または上述とは別に、窒化ホウ素ナノチューブは、例えば、1つまたは複数のカーボンナノチューブを含む基材を提供する工程と、窒化ホウ素ナノチューブを得るために1つまたは複数のナノチューブ上にアミンボラン錯体を昇華させる工程とによってテンプレート支援アプローチを用いて製造され得る。1つまたは複数のナノチューブは、テンプレートとして機能し、したがってナノチューブ上にアミンボラン錯体を昇華させることによって、窒化ホウ素前駆体は、ナノチューブの表面上に共形的に堆積し得、その結果窒化ホウ素材料は、ナノチューブテンプレートのモルフォロジー構造を取って窒化ホウ素ナノチューブを形成する。本明細書で開示されるように、形成される窒化ホウ素の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。
1つまたは複数のカーボンナノチューブは、基材上にアミンボラン錯体を昇華させた後、酸素を含む環境下において約400℃〜約700℃の範囲の温度で基材をアニールすることによって除去され得る。例えば、基材をアニールする工程は、酸素を含む環境下において約500℃〜約700℃、約600℃〜約700℃、約400℃〜約600℃、約400℃〜約500℃、約500℃〜約600℃、または約450℃〜約650℃の範囲の温度で行われてもよい。
窒化ホウ素ナノチューブに加えてまたは窒化ホウ素ナノチューブとは別に、本明細書で開示される実施形態による方法は、多孔質窒化ホウ素材料を製造するために用いられ得る。これは、例えば、多孔質支持体上に配置された金属の層を有する基材を提供する工程と、基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程とによって行われてもよい。形成される窒化ホウ素の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。使用され得る金属の例は、上で既に考察されている。基材上に窒化ホウ素材料を形成するとすぐに、基材は、エッチング処理を基材に施すことによって除去され得る。
様々な実施形態において、窒化ホウ素材料は、窒化ホウ素フィルムであってもよい。窒化ホウ素フィルムは、支持体上に配置された連続的な形態の金属の層を有する基材を提供する工程と、基材上にアミンボラン錯体を昇華させて窒化ホウ素材料を得る工程とによって製造され得る。形成される窒化ホウ素の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させてもよい。使用され得る金属の例は、上で既に考察されている。
基材の形状および構造は、任意に選択されてもよく、平面に限定されない。例えば、基材は、非平面形状を有しても、製品の形態であってもよい。基材は、基材上にアミンボラン錯体を昇華させた後に電気化学的剥離処理を基材に施すことによって除去され得る。これは、別の支持体への窒化ホウ素フィルムの転写を可能にし得る。
フィルムの厚さは、昇華の時間を変えることによって制御され得る。有利には、窒化ホウ素材料は、約10分〜約20分、約15分〜約20分、約5分〜約15分、約5分〜約10分、または約10分〜約15分などの、約5分〜約20分の範囲の間、例えば、基材上にアミンボラン錯体を昇華させることによって形成され得る単分子層として基材上に存在してもよい。
いくつかの実施形態において、基材は、基材上に存在し得る表面酸化物を除去するために、約700℃以上、好ましくは約700℃〜約1100℃の範囲の温度で不活性環境下においてアニールされてもよい。いくつかの実施形態において、好適な基材は、少なくとも700℃の温度に耐えることができるものであり得る。
様々な実施形態は、第2の態様においては、第1の態様による方法によって製造された窒化ホウ素材料に関する。
上述のとおり、形成される窒化ホウ素材料の組成は、アミンボラン錯体の昇華が行われる温度を変化させることによって制御可能に調整され得る。例えば、プリスティン窒化ホウ素から、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素まで、窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素までの窒化ホウ素材料が製造され得る。
上述のとおり、形成される窒化ホウ素材料の組成は、アミンボラン錯体の昇華が行われる温度を変化させることによって制御可能に調整され得る。例えば、プリスティン窒化ホウ素から、痕跡量の炭素でドープされた窒化ホウ素まで、窒化ホウ素と炭素との多重ドメインを有する窒化ホウ素までの窒化ホウ素材料が製造され得る。
窒化ホウ素材料は、350nm〜750nmの波長域において少なくとも80%の透過率を示し得る。用語「透過率」は、本明細書で用いるところでは、材料を透過した放射線の強度割る入射放射線の強度を意味し、それは、百分率として表される。350nm〜750nmの波長域は、電磁スペクトルの可視光範囲に相当する。様々な実施形態において、コーティングは、350nm〜750nmの波長域で少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも87%、少なくとも90%の透過率を示す。
窒化ホウ素材料は、約6.13eV〜約5.92eVの範囲の光学的バンドギャップ(OBG)を有し得る。用語「バンドギャップ」は、本明細書で用いるところでは、材料の価電子帯のトップと伝導帯のボトムとの間のエネルギーの差を意味し、それは結局、電子が価電子帯から伝導帯へジャンプするまたは移行するための最小量のエネルギーということになる。用語「光学的バンドギャップ」は、電子が価電子帯から伝導帯に移動するのを助ける光子に関し、それは、材料が吸収する電磁スペクトルの部分を決定するので重要である。約2%から約5%へのCドーピング濃度のわずかな増加で、OBGの小さな減少が起こり得る。
本明細書で開示される窒化ホウ素材料は、高性能二次元(2D)ヘテロ構造デバイス用の誘電体基材および封入材料として使用され得る。
本発明は、本明細書で幅広く、かつ、包括的に記載されてきた。包括的な開示内に入るより狭い化学種および亜属グループのそれぞれも、本発明の部分を形成する。これは、削除される材料が本明細書で具体的に列挙されるかどうかにかかわらず、属から任意の対象物を除去するという条件または負の制限付きで本発明の包括的な説明を含む。
本発明は、本明細書で幅広く、かつ、包括的に記載されてきた。包括的な開示内に入るより狭い化学種および亜属グループのそれぞれも、本発明の部分を形成する。これは、削除される材料が本明細書で具体的に列挙されるかどうかにかかわらず、属から任意の対象物を除去するという条件または負の制限付きで本発明の包括的な説明を含む。
他の実施形態は、以下の特許請求の範囲および非限定的な実施例内である。加えて、本発明の特徴または態様がマーカッシュグループの観点から記載されている場合、当業者は、本発明がまた、マーカッシュグループの任意の個別のメンバーまたはサブグループのメンバーの観点からそれによって記載されていることを認めるであろう。
それらの例外的な化学および熱安定性ならびに電気絶縁特性のために、原子的に薄い六方晶窒化ホウ素(h−BN)フィルムは、高性能二次元(2D)ヘテロ構造デバイス用の有望なクラスの誘電体基材および封入材料と特定されている。
本明細書では、単一ソース前駆体として、比較的低いコストであり、商業的に入手可能であるトリメチルアミンボラン(TMAB)などの、アミンボラン錯体を利用する、単分子層単結晶を含む大面積の原子的に薄いh−BNおよびCドープh−BN(炭窒化ホウ素、h−BCN)フィルムの簡易な化学蒸着(CVD)合成が様々な実施形態によって初めて報告される。単分子層単結晶を含む薄いBNフィルムは、本明細書で開示される方法を用いて製造され得、フィルム中のCドーピング濃度は、前駆体の昇華温度を制御することによって制御可能に調整され得る。
実施形態において、アミンボラン錯体は、一般式R3N・BX3(ここで、各Xは、水素およびハライドからなる群から独立して選択され、各Rは、水素、アルキル、アリル、アルケニル、アルキニル、アルキルアリール、アリールアルキル、フェニル、アルケンおよびアルキンからなる群から独立して選択される)を有し得る。
表1は、シグマ−アルドリッチ(Sigma−Aldrich)製の様々なアミンボラン錯体の価格の比較を示す。BNを成長させるために最も一般的に使用されるアンモニアボランと比べて、他のアミンボラン錯体は約10倍より安価である。したがって、本明細書で開示される実施形態による方法は、BNおよびBCNの1D、2Dおよび3D構造物の生産のコストを著しく低下させ得、また有害性がより少なく、より環境にやさしい。
この技術を用いて製造されるBCNフィルムは、BNおよびCドメインの複合体を含有するもの(BNCフィルム)とは異なる。図1Fおよび図1Gは、それぞれ、BNCおよびBCNフィルムの原子配置の概略図を示す。BNCフィルムについては、それらは、BNフィルム内に埋め込まれたCドメインのクラスターからなり、一方BCNフィルムについては、C原子は、BNマトリックスにおいてB原子かN原子かのいずれかで置換されている。したがって、BNCフィルムおよびBCNフィルムの特性は、BNCが、個別のBNおよびグラフェンドメインに起因する別個の特性を両方とも含有するであろうからまったく異なる。これは、そのバンドギャップおよび光学特性において明らかである。図1Hに示されるように、典型的なBNCフィルムは、それぞれ、270nmおよび202nmにグラフェンおよびBNに起因する2つの別個の吸収ピークを有し、それは、そのバンドギャップおよび光学特性への同調性を困難にする。他方でBCNフィルムについては、BNピークのわずかな広がりが205nmで観察され、それは、より多くのCドーピングでさらに増加するであろう。したがって、そのようなフィルムは、CがBNフィルム中へドープされるにつれて、その電子特性、機械特性および磁気特性へのより万能な同調性を可能にするであろう。
実施例1: h−BNおよびh−BCNフィルムの合成(実施形態1)
銅(Cu)箔(アルファ・エイサー(Alfa Asear)、製品番号13382、25μm厚さ)が、h−BNおよびh−BCNフィルム用の成長基材として使用された。成長前に、Cu箔が先ず希硝酸中へ2〜3秒間浸漬され、引き続きCu表面上のコーティングを除去するためにDI水でリンスされた。Cu箔が次に、200:20sccmの一定Ar/H2流れ下に1インチ石英管へロードされた。炉が40分で1050℃まで昇温され、Cuをアニールし、表面酸化物を除去するためにもう30分間一定に保たれた。
銅(Cu)箔(アルファ・エイサー(Alfa Asear)、製品番号13382、25μm厚さ)が、h−BNおよびh−BCNフィルム用の成長基材として使用された。成長前に、Cu箔が先ず希硝酸中へ2〜3秒間浸漬され、引き続きCu表面上のコーティングを除去するためにDI水でリンスされた。Cu箔が次に、200:20sccmの一定Ar/H2流れ下に1インチ石英管へロードされた。炉が40分で1050℃まで昇温され、Cuをアニールし、表面酸化物を除去するためにもう30分間一定に保たれた。
アニーリング後に、加熱域の外側のセラミックボートに入れられた、10mgのトリメチルアミンボラン錯体(アルファ・エイサー、製品番号L14994、97%)が、フィルム成長を開始させるために明記される温度で加熱された。連続フィルムへの単分子層h−BN単結晶ドメインについての成長時間は、5分から20分までであり、一方、h−BCNフィルムについては、フルカバーフィルムが5分の成長後に得られる。成長後に、炉の蓋が迅速冷却のために持ち上げられた。
実施例2: 転写プロセス(実施形態1)
SiO2/Siおよび石英基材上にフィルムを転写するために電気化学的剥離処理を用いた。先ず、Cu上の成長したままのh−BNまたはh−BCNフィルムを、30秒間3000rpmでポリメチルメタクリレート(PMMA)でスピンコートした。1MのNaOHを電解質として使用した。Pt箔をアノードして使用し、スピンコートされた試料をカソードとして使用した。PMMA被覆試料がCuから完全に取り外されるまで、5Vの一定電圧がかけられた。
SiO2/Siおよび石英基材上にフィルムを転写するために電気化学的剥離処理を用いた。先ず、Cu上の成長したままのh−BNまたはh−BCNフィルムを、30秒間3000rpmでポリメチルメタクリレート(PMMA)でスピンコートした。1MのNaOHを電解質として使用した。Pt箔をアノードして使用し、スピンコートされた試料をカソードとして使用した。PMMA被覆試料がCuから完全に取り外されるまで、5Vの一定電圧がかけられた。
試料は、次に数回DI水でリンスされ、所望の基材上に転写された。転写したままの試料は、それが完全に乾燥するまで50℃でベーキングされた。最後に、PMMAは、試料を数時間アセトン中に浸けることによって除去された。
実施例3: 特性評価(実施形態1)
熱重量分析(TGA、島津(Shimadzu)DTG−60H熱分析計)が、TMABの熱分解プロファイルを測定するために用いられた。TGA測定は、窒素ガスの一定流量(100mL/分)下で実施され、2℃/分の加熱速度で25℃から125℃まで加熱された。
熱重量分析(TGA、島津(Shimadzu)DTG−60H熱分析計)が、TMABの熱分解プロファイルを測定するために用いられた。TGA測定は、窒素ガスの一定流量(100mL/分)下で実施され、2℃/分の加熱速度で25℃から125℃まで加熱された。
走査電子顕微鏡法(SEM、LEO 1550ジェミニ(Gemini))画像が、Cu基材上の成長したままのh−BNおよびh−BCNフィルムに関して直接撮影された。
原子間力顕微鏡法(AFM、サイファー(Cypher)走査型プローブ顕微鏡)が、SiO2/Si基材上の転写h−BNおよびh−BCNフィルムの厚さを測定するためにタッピングモードを用いて行われた。
原子間力顕微鏡法(AFM、サイファー(Cypher)走査型プローブ顕微鏡)が、SiO2/Si基材上の転写h−BNおよびh−BCNフィルムの厚さを測定するためにタッピングモードを用いて行われた。
532nmのレーザ励起波長でのラマン分光法(ウィテック(Witec))が、SiO2/Si基材上の転写フィルムの結晶構造を測定するために室温で行われた。
フーリエ変換赤外分光法(FT−IR、IRプレステージ(IRPrestige)−21スペクトロメータ)が、4000cm−1から400cm−1までの波数内で両面研磨Siウェハー上の転写h−BNフィルムを使用して行われた。
フーリエ変換赤外分光法(FT−IR、IRプレステージ(IRPrestige)−21スペクトロメータ)が、4000cm−1から400cm−1までの波数内で両面研磨Siウェハー上の転写h−BNフィルムを使用して行われた。
電子エネルギー損失分光法(EELS)を備えた透過電子顕微鏡法(TEM、テクナイ(Tecnai)G2 F20 X−ツイン)が、h−BNフィルムの原子構造および元素組成を測定するために200kVの加速電圧で操作された。
X線光電子分光法(XPS、VG ESCA 220i−XLイメージング)が、Cu上の成長したままのフィルムの元素組成および結合構造を測定するために用いられた。
紫外−可視分光法(UV−vis、島津(Shimadzu)UV−2450)が、石英基材上の転写フィルムの光学的バンドギャップ(OBG)を抽出するために用いられた。
紫外−可視分光法(UV−vis、島津(Shimadzu)UV−2450)が、石英基材上の転写フィルムの光学的バンドギャップ(OBG)を抽出するために用いられた。
実施例4: 結果および考察(実施形態1)
図1Aは、h−BN/h−BCNフィルム成長のための化学蒸着(CVD)装置の一般的レイアウトを示す概略図である。低圧および大気圧の両方とも成長に好適である。前駆体、アミンボラン錯体(R3N・BX3)(ここで、Xは、水素および/またはハライドであり、Rは、水素、アルキル、アリル、アルケニル、アルキニル アルキルアリール、アリールアルキル、フェニル、アルケンおよび/またはアルキンである)は、管の入口近くで、または、炉の加熱域から離れて、別個のチャンバーでロードされてもよい。
図1Aは、h−BN/h−BCNフィルム成長のための化学蒸着(CVD)装置の一般的レイアウトを示す概略図である。低圧および大気圧の両方とも成長に好適である。前駆体、アミンボラン錯体(R3N・BX3)(ここで、Xは、水素および/またはハライドであり、Rは、水素、アルキル、アリル、アルケニル、アルキニル アルキルアリール、アリールアルキル、フェニル、アルケンおよび/またはアルキンである)は、管の入口近くで、または、炉の加熱域から離れて、別個のチャンバーでロードされてもよい。
好適な基材としては、金属箔およびフォーム(Cu、Ni、またはPtなどの)ならびに他のナノ構造化材料(カーボンナノチューブまたはグラフェンなどの)などの、しかしそれらに限定されない、不活性雰囲気下で700℃〜1100℃の成長温度に耐えることができる材料が挙げられ得る。H2および、Arなどの不活性ガスがキャリアガスとして使用され得る。
任意選択のアニーリングプロセスが、粒径を大きくし、自然酸化物を除去するために金属基材に関して実施されてもよい。炉の温度が700〜1100℃に達したときに、フィルムの成長は、前駆体の融点に依存する高温で前駆体を加熱することによって開始され得る。気化した前駆体の流れは、基材上にフィルムを形成するために蒸着チャンバーへと導かれ得る。結晶性フィルムを達成するために前駆体が分解して活性BNまたはBCN化学種になるのに高い成長温度が必要とされ得る。
金属基材については、BNまたはBCN化学種は、金属基材のかさ中へ吸収され、その後冷却するとすぐに析出して原子的に薄いフィルムの層を形成する。カーボンナノチューブおよびグラフェンなどの他の出発基材については、BN層またはBCN層はこれらの構造物上に共形的にコートされ得る。
到達BNおよびBCNフィルムの高結晶性は、格子マッチング特性ならびにBNおよびBCN層との金属基材(CuおよびNiなどの)およびグラフェンまたはカーボンナノチューブのエピタキシャル関係のために達成され得る。本明細書で開示される様々な実施形態は、下部基材に順に依存し得る、異なる次元性/形態構造のBNおよびBCN構造物が、前駆体の昇華温度を調整することによる異なる組成のCドーピングで制御可能に達成され得ることを実証している。フィルム厚さは、成長時間および使用されるアミンボラン錯体の量で変えることができる。
図1Bは、多重単結晶ドメインの合体によって形成される単分子層h−BN単結晶ならびに大面積(センチメートル規模を超える)の原子的に薄い多結晶性h−BNおよびh−BCNフィルムの成長のために用いられる大気圧(AP)CVD系の略レイアウトを示す。
アミンボラン錯体の1つのTMABがフィルム中のB、CおよびN元素すべてのための単一のソース前駆体として使用され、かつ、Cu箔が触媒基材として使用される。ABと比べて、TMABは、アルキル基の存在のためにより低い溶融温度を有する。したがって、h−BNフィルムの成長は、比較的より低い昇華温度(Ts)でTMABを昇華させることによって実現され得る。
図1Cは、不活性雰囲気下でのTMABの熱重量分析(TGA)およびその対応する示差熱分析(DTA)スペクトルを示す。連続的な減量が100℃までに起こり、ここで、TMABは、分子状水素(H2)と様々な脱水素誘導体(Me3−xN・BH3−y)nとを含む揮発性ガス状を失うTMABの熱分解/溶融に対応する、3つの吸熱ピークが、それぞれ、79.6℃、90.3℃および95.5℃に中心がある状態で、完全に分解した。
TMABの可能な脱水素ルートおよびh−BNフィルムの形成経路は、図1Dに示される。脱水素プロセスは、B−N結合を越えて始まり得、TMAB分解の発生ガス状生成物はさらに重合し、CVD管のホットゾーン内部で化学的に変換する。架橋が次に、B部位から起こり始め得、それは、三量体アミノボラン、(MeNH・BH2)3の形成をもたらし得る。脱水素カップリングによるこの化合物のさらなる分子間反応は、h−BNの骨組みの環状鎖を形成し、2D h−BNフィルムは、1000℃超でのこれらの鎖のさらなる架橋によって生成し得る。N−C結合の開裂はその比較的より弱い化学結合のためにB−N結合よりも優先されることが注目された。それと同時に、H2ガスの存在は、高温でh−BNの形成中に揮発性CH3−xをもたらし得る、N−C結合の開裂をさらに支援し得る。これは、製造されたままのフィルム中に存在した無視できる量または少量のC組成物を説明し得る。本発明者らはまた、同じ成長条件下でSiO2/Si基材上でのh−BNフィルム成長の欠如(図2)によって明らかなようにCuなどの触媒基材が脱水素反応を高めるためにこの形成プロセスにとって必要とされることに気付いた。
図3Aは、それらが合体して連続フィルムになる前の成長の初期段階中のh−BNドメインの存在を明らかにするための空気酸化h−BN/Cu箔の光学画像を示す。h−BNは酸化に非常に抵抗するため、h−BNドメインによって覆われた領域は、非酸化Cuと同じ光学コントラスト(より明るいコントラスト)のままであり、三角形状のh−BNドメインは、酸化Cu上に容易に特定され得る。図3Bは、隣接ドメインと合体することによって形成された部分連続h−BNフィルムの典型的なSEM画像を示す。これらの単結晶ドメインは、それぞれ、さらなるAFM、FT−IR、UV−visおよびTEM特性評価のために、285nmのSiO2/Si、両面研磨Si、石英およびTEMグリッドなどの様々な基材上に転写された。
図3Cは、容易な特定のためのSiO2/Si基材上の転写h−BNドメインの光学的に改善された画像を示す。興味深いことに、ドメイン形状の著しい相違が、前駆体としてABを使用して成長したほとんどのh−BNドメイン(その場合、それらは、真っ直ぐの縁の規則正しい形状の三角形からなった)と比べて本明細書で得られたh−BNに関して観察された。その代わりに、凸状曲線縁の三角形またはルーロー(Reuleaux)の三角形が、TMABを使用して成長したh−BNドメインについて絶えず観察され、それはさらに、SiO2/Si基材上の転写h−BNドメインのAFM画像(図3D)において白色矢印で示された。
h−BNドメインの曲線縁の発生を説明するために、そのような等方性成長メカニズムは、ABのTsを上昇させることによって制御可能に得られ得るh−BN核の外周に沿った高濃度の吸着原子に起因し得る。TMABはABよりも低い溶融温度を有したため、昇華は、Tsをよりわずかに上昇させた場合に、より速い速度で起こり得る。これは、減量の勾配が温度の上昇とともに増加するTMABのTGAプロファイルにおいて明らかであった(図1C)。
加えて、成長がAPを使用して実施されたため、これは、成長基材への前駆体の供給をさらに容易にし得、したがって、高められた付着速度論をもたらした。図3Dの差し込み図は、h−BNの典型的な厚さが、単分子層に相当する、約0.55nmであった(h−BNについての層間隔は約0.33nmであった)ことを示す。
図3Eは、1360〜1380cm−1の個別のh−BNドメインのラマンピーク強度マップを示す。E2gピークの強度が単分子層h−BNについて非常に弱かったため、各走査ピクセルについて積分時間が10秒に設定された場合にノイズ寄与に起因する、ドメイン内の色分布へのわずかな非一様性が観察された。図3Fは、SiO2表面と比べて、30秒のより長い積分時間を用いてh−BNドメイン中の3つのランダム位置で撮影され、2回累積された対応するラマンスペクトルを示す。h−BNドメインのラマンスペクトルは、単分子層h−BNのE2g振動モードに対応する、1369.3cm−1に位置するピークと一致することが観察された。約1450cm−1の他のピークは、SiO2表面上にまた存在したSiの三次横光学(TO)フォノンモードに帰属させられた。
図3Gは、面内B−N伸縮モードに対応する1373.3cm−1に独特のピークを持った単分子層h−BNについての典型的なFT−IRスペクトルを示す。面外B−N−B曲げモードに対応する約780cm−1のピークは、このピークがh−BNフィルムについて3倍弱いと報告されているようにまったく観察されなかった。さらに、単分子層フィルムの低い次元性のために、このピークは面外運動の欠如により非検出になった。UV−vis分光法が、h−BNフィルムのOBGを測定し、システムにおけるドーピング効果を検出するために用いられた。
図3Hは、石英基材上に転写された単分子層h−BNフィルムの吸光度スペクトルを示す。h−BNフィルムは、原子的に薄いプリスティンh−BNフィルムにとって典型的な特徴である、201.5nmに鋭い単一ピークを有することが観察された。フィルムのOBGを抽出するために、吸光度スペクトルが、直接バンドギャップ半導体についての誘導式
α=C(E−Eg)1/2/E (1)
(ここで、αは吸収係数であり、Cは定数であり、Eは光子エネルギーである)
を用いてタウツプロットへ変換された。αがフィルムの厚さで割られた光学吸収から得られたことに注目されたい。したがって、Eに対して(αE)2をプロットすることによって、直線がエネルギー分散曲線上で外挿されてもよく、Egは、外挿線とx軸との交差点から抽出することができる。図3Iは、h−BN単分子層のタウツプロットを示す。抽出されたOBGは、6.0eVの理論値に匹敵する、6.13eVであった。
α=C(E−Eg)1/2/E (1)
(ここで、αは吸収係数であり、Cは定数であり、Eは光子エネルギーである)
を用いてタウツプロットへ変換された。αがフィルムの厚さで割られた光学吸収から得られたことに注目されたい。したがって、Eに対して(αE)2をプロットすることによって、直線がエネルギー分散曲線上で外挿されてもよく、Egは、外挿線とx軸との交差点から抽出することができる。図3Iは、h−BN単分子層のタウツプロットを示す。抽出されたOBGは、6.0eVの理論値に匹敵する、6.13eVであった。
TEM技術が、製造されたままのh−BNフィルムの原子構造および単分子層性質をさらに特定するために用いられた。図4Aは、TEMグリッド上の転写単分子層h−BNフィルムの典型的な低倍率TEM画像を示す。赤色矢印で示されるような、いくつかの折り畳み領域が、転写プロセスによりフィルムのいくつかの領域で観察することができる。図4Bは、h−BNフィルムの電子エネルギー損失分光法(EELS)スペクトルを示す。sp2混成B−N結合についての特性ピークである、それぞれ、BおよびNのK殻電離端に対応する、188eVおよび401eVに始まる2つの吸収ピークが観察される。284eVに始まる別の吸収ピークは、転写プロセス後に完全に除去されなかった可能性があるポリメチルメタクリレート(PMMA)残基の混入によるC−C結合に帰属させられる。抽出されたN/B比は、h−BNについての1という理想値に非常に近い、1.03である。
図4Cおよび図4Dは、それぞれ、転写h−BNフィルムの縁および内部での高倍率TEM画像である。h−BNフィルムの縁での単一層が、図4Cにおいて明らかに特定された。加えて、電子ノックオン損傷のために発生した、多くのナノサイズ三角形穴(図4Dでは点線で輪郭を示す)がフィルム上に観察され得て、h−BNフィルムの単分子層性質をさらに実証する。
フィルムにおける結晶性を評価するために、転写h−BNフィルムに関して制限視野電子回折(SAED)を実施した(図4E)。SAEDは、h−BNフィルムについて予期されたような六方晶構造に相当する、六角形パターンに配置された6つの独特のスポットを明らかにした。
製造されたままのフィルムの元素組成および化学構造は、XPSを用いてさらに研究された。フィルム中のC含有量を測定するために、本発明者らは、h−BN/Cuと、同じ成長条件を受けたがTMABへの暴露なしのアニールされたCuとのXPSスペクトル間の体系的比較を行った。
図5Aは、h−BN/Cuおよび裸のアニールされたCu試料のXPSサーベイスペクトルを示す。両方の試料がCu、OおよびC元素を含有し、一方、BおよびN元素のみがh−BN/Cu試料中に存在することが観察された。加えて、下部Cu基材のための酸化からの保護層として働くh−BNフィルムに起因する、比較的より低い強度のO 1sピークがh−BN/Cu試料について観察された。C 1sピークは、Cu箔中のC不純物の存在のために両方の試料において検出された(図5B)。アニールされたCuについて288.1eVでのより目立つショルダーは、より多い量の表面Cu酸化物に由来するC=O結合によるものであった。図5Cに示されるように、h−BN/CuのC 1sスペクトルは、それぞれ、C−C、C−N/C−OおよびC=O結合に帰属させられる、284.5eV、286.4eV、および288.2eVにある3つのピークにデコンボリューションされ得る。しかし、これらのピークは、それらがまた裸のアリールされたCu箔から抽出され得るため、フィルム構造を代表するものではなかった。したがって、本発明者らは、フィルムにおけるBおよびN原子の結合構造をさらに特定するためにB 1sおよびN 1sスペクトルに研究の焦点を合わせた。各元素ピークの積分強度に基づいて抽出されたN/B比は、EELSによって特定されたような上述の値と一致する、1.11であった。
図5Dおよび図5Eは、B 1sおよびN 1sの高分解能XPSスペクトルならびにそれらの対応する適合(fitted)ピークプロファイルを示す。デコンボリューションされたB 1sスペクトルは、190.3eVおよび192.1eVにある2つのピークを際立たせた。190.3eVに中心がある主構成要素は、B−N結合に対応し、より高い結合エネルギーでのより小さいショルダーは、B−O結合に帰属させられた。B−O結合の存在は、表面不純物またはh−BNフィルム中の欠陥部位に起因し得る。図5Eにおける適合N 1sピークは、398.0eVにN−B結合を説明するたった一つの構成要素を明らかにした。上述の特性評価および分析すべてに基づいて、本発明者らは、得られたままのドメイン/部分フィルムが、無視できる量のC不純物のh−BN単分子層(図5F)に十分相当すると合理的に結論し得る。
h−BNフィルムについての成長メカニズムを検証するために、散在ドメインから連続フィルムへの進化を観察するための時間依存研究が行われた。図6A〜図6Eは、5分から20分までの様々な成長継続時間後の成長したままのh−BNフィルムのSEM画像を示す。5分の成長後に、ドメインサイズは、平らでないCu表面に沿って多くの核形成ありで長さが典型的には2μmであった(図6A)。成長時間を8分および10分に延ばすことによって(図6Bおよび図6C)、ドメインの平均サイズは、隣接ドメインと合体することによって不連続フィルムのパッチを形成する核形成部位が明らかに増加して約5μmに増加した。単結晶ドメインは、成長時間が15分および20分にさらに増やされた場合にほとんど観察されなかったし(図6Dおよび図6E)、センチメートルの距離を超えてCu基材の全体表面を覆う連続フィルムは、20分の成長後に得られた。成長は、自己限定的ではなく、単分子層が形成された後に停止しなかった。ナノサイズの三角形状をした吸着層の島(赤色で輪郭を示す)の存在が、存在する単分子層内に観察され得る(図6F)。したがって、TMABを使用するh−BNの成長は、前駆体としてABを使用する成長に似ているかもしれない。
より平滑な表面は、ギブス自由エネルギー障壁を増加させ得るため、h−BNドメインの核形成は、電解研磨Cuを使用することによってさらに抑えられ得る。図7Aおよび図7Bは、それぞれ、8分間同時に成長させた、研磨および非研磨Cu上のh−BNドメインのSEM画像を示す。孤立単結晶ドメインとCu格子との間のエピタキシャル関係は、それらの相対配向をマップアウトすることによって特定され得る(図8)。
粒界または欠陥線付きの多重ドメインからなる様々な多面複雑構造が、ドメインのミラーリング極性のために観察された(図7C〜図7E)。そのような構造は、2つ以上のドメインがすぐ近くに核形成される場合に、2つ以上のドメイン間のポイント−エッジモードか、エッジ−エッジモードかのいずれかによって形成され得る。
より高いTsを用いる少層連続フィルムがさらに成長させられ、40℃のTsを用いて成長させたプリスティンh−BNフィルムと比較された(図9A〜図9D)。40、50、60および70℃のTsを用いて成長させた様々なフィルムは、本明細書では以下、それぞれ、BN40、BCN50、BCN60およびBCN70と表示された。AFM走査は、これらのBNおよびBCNフィルムの厚さが似ており、3nmを超えないことを示した(図10A〜図10D)。
Tsが80℃以上にさらに上げられた場合、TMABは非常に迅速に昇華し、得られたフィルム表面は、多くの粒子ありで非常に粗くなり、多層の三角形の島が観察され得る(図11A〜図11C)。原子的に薄いフィルムを合成するために、TMABのTsは、最高70℃に制限された。
図12A〜図12Cは、1580から1620cm−1までのSiO2/Si基材上の、それぞれ、転写BCN50、BCN60およびBCN70フィルムのGピーク強度ラマンマッピングを示す。図12D〜図12Fは、それぞれ、図12A〜図12Cにおけるラマンマップ上の黒い、赤いおよび青い点で示される、異なる場所での対応するラマンスペクトルを示す。図12Dにおいて観察されるように、h−BNに対応する約1370cm−1の単一ラマンピークは、BCN50フィルムの全体にわたって特定され、BN40のそれに似ていた。それぞれ、約1350および約1600cm−1での幅広いDおよびGバンドの明らかな不規則黒鉛炭素ピークは、より高いTsを用いて成長させたBCN60およびBCN70フィルムの多くの領域で観察され得(図12Eおよび図12F)、ナノ粒子が炭素質内容物からなる可能性が高いことを示唆した。
XPSが、得られたままのBCNフィルムの化学構造および組成へのさらなる洞察を提供するために用いられた。図13Aおよび図13Bは、それぞれ、BCN60についてのデコンボリューションされたB 1sおよびN 1s XPSスペクトルを示す。図13Dにおけるものに似た、190.4および192.1eVにある2つのピークは、それぞれ、B−NおよびB−O結合に対応するB 1sスペクトル(図13A)に組み込まれ得る。N 1sスペクトルについては、398.0eVのN−B結合からなる主構成要素に加えて、N−C結合に由来する399.6eVのより高い結合エネルギーでのより小さいショルダーが観察された(図13B)。フィルムの推定される化学結合構造は、図13Cに提示される。B 1sスペクトルにおけるB−C結合の欠如によって明らかであるように、C原子は、h−BNマトリックスにおいてB原子で「置換されて」いた。TMAB分子中にN−C結合は存在するが、B−C結合は存在しないため、フィルムがこの構造を取ったことは論理的である。より高い昇華速度時に、増加した量の脱水素化学種のために、すべてのN−C結合が成功裡に開裂するわけではなく、したがって、軽くドープされたh−BCNフィルムの形成をもたらし得る。h−BCNフィルムのN 1sスペクトルにおける積分された特有のデコンボリューションされたピークに基づき、推定されるCドーピング濃度は、約2%〜約5%であった。
BNおよびBCNフィルムの光学特性およびバンドギャップ効果を研究するために、石英基材上の転写フィルムに関してUV−vis分光法が行われた。フィルムはすべて、IRおよび可視スペクトルの全体にわたってほぼ100%の透過率で透過性が高いことが観察された(図14)。図13Dは、異なるTsで成長させたフィルムの吸光度スペクトルを示し、差し込み図は、190から230nmまでの波長の深UV領域に焦点を合わせるプロットを示す。BN40フィルムが、原子的に薄いプリスティンh−BNフィルムに対応する、201.5nmに鋭い単一ピークを有することが観察された。他のBCNフィルムについては、205nmにある追加のショルダーが観察された。この現象は、フィルムがh−BNおよびグラフェンドメインの複合体を含有する、BNドープされたグラフェンフィルムに似ていなかった。その場合には、h−BNとグラフェンのπプラズモンピークとに対応する、202nmおよび270nmでの2つの別個の吸収ピークが観察された。本明細書で開示されるBCNフィルムについては、このショルダーの存在は、置換ドーピングによるバンドギャップナローイング効果を示唆した。
フィルムのOBGを抽出するために、吸光度スペクトルがタウツプロットへ変換された(図13E)。BN40についての抽出されたOBGは、6.11eVであり、一方、より高いTsで成長させたBCNフィルムのOBGは、5.92〜5.95eVの範囲の間に入った。
実施例5: 結論(実施形態1)
要約すれば、プリスティン単分子層h−BN単結晶ならびに原子的に薄いh−BNおよびh−BCNフィルムは、Cu基材上で、比較的低コストの、毒性の少ない、かつ、単一ソース前駆体として、商業的に入手可能なTMABを初めて使用するCVDによって成功裡に成長させた。本明細書で開示される方法は、1D、2D、および3D BNおよびBCNナノ構造物ならびにh−BN/h−BCNフィルムを製造するために他のアミンボラン錯体まで広げられ得る。
要約すれば、プリスティン単分子層h−BN単結晶ならびに原子的に薄いh−BNおよびh−BCNフィルムは、Cu基材上で、比較的低コストの、毒性の少ない、かつ、単一ソース前駆体として、商業的に入手可能なTMABを初めて使用するCVDによって成功裡に成長させた。本明細書で開示される方法は、1D、2D、および3D BNおよびBCNナノ構造物ならびにh−BN/h−BCNフィルムを製造するために他のアミンボラン錯体まで広げられ得る。
前駆体の昇華温度(Ts)を注意深く変えることによって、h−BNフィルム中のCドーピング濃度は、制御可能な調整され得る。単分子層単結晶を含む、プリスティンh−BNフィルムを合成するために、Tsのさらなる上昇が、非開裂B−C結合の存在のために軽くドープされたh−BCNフィルムの形成をもたらすため、Tsは40℃に制限された。h−BCNフィルムの測定された吸光度スペクトルは、Cドーパントによって引き起こされるバンドギャップナローイング効果のために205nmに追加のショルダーを示した。h−BCNフィルム中のCドーピング濃度は、XPSによって特定されるように約2%〜5%と推定された。この方法を用いて成長させたh−BCNフィルムの化学構造は、h−BNマトリックスにおいてB原子がC原子で部分置換されていると理解され得る。
そのバンドギャップの同調性は、BNマトリックスへのC置換によって達成され得る。軽くドープされたh−BCNフィルムは、その電気絶縁性を保持しながら、フィルムの機械的特性への建設的強化を潜在的に提供し得る。
本明細書で開示される方法は、金属箔およびフォーム(例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、および白金(Pt))ならびに他のナノ構造化材料(例えば、グラフェン、カーボン、および窒化ホウ素ナノチューブ)を含むがそれらに限定されない様々な基材、または不活性雰囲中で少なくとも700℃の温度に耐えることができる基材上に高結晶性の極薄BNおよびBCNフィルムを堆積させるために用いられ得る。本明細書で開示される実施形態による極めて万能のおよび工業的に許容できる成長技術は、顕著なコスト節減および、様々な用途向けに使用され得る終局製品の大量製造可能性を提供し得る。
実施例6: フィルム堆積および特性への前駆体昇華温度の影響(実施形態2)
Cu基材上でのBNおよびBCNフィルム成長の実現可能性を実証するために、トリメチルアミンボラン(TMAB、(CH3)3N・BH3)が、すべての他のアミンボラン錯体にとっての非限定的な例として使用された。熱重量分析を用いて明らかなように、TMABは、分子状H2および他の様々な脱水素誘導体を失う熱分解/溶融に対応する、3つの吸熱ピークが、それぞれ、79.6、90.3および95.5℃に中心がある状態で、約100℃で完全に分解する。成長中に、昇華温度を30℃から100℃まで変化させ、フィルム堆積および特性への影響を解析した。
Cu基材上でのBNおよびBCNフィルム成長の実現可能性を実証するために、トリメチルアミンボラン(TMAB、(CH3)3N・BH3)が、すべての他のアミンボラン錯体にとっての非限定的な例として使用された。熱重量分析を用いて明らかなように、TMABは、分子状H2および他の様々な脱水素誘導体を失う熱分解/溶融に対応する、3つの吸熱ピークが、それぞれ、79.6、90.3および95.5℃に中心がある状態で、約100℃で完全に分解する。成長中に、昇華温度を30℃から100℃まで変化させ、フィルム堆積および特性への影響を解析した。
室温から50℃までの低い昇華温度を用いる場合、h−BNフィルムはCu基材上に成長した。一層から数層が、成長時間を増加させることによって制御可能に堆積し得る。TMABの分解生成物が炉のホットゾーンに入ったときに、分子間反応が起こり、三量体アミノボラン、(MeNH・BH2)3の形成をもたらし、それはさらに架橋してh−BNの骨組みの環状鎖になった。これらの環状鎖のさらなる脱水素カップリングによるh−BN形成中に、N−C結合は本方法において、H2ガス形成揮発性生成物(CH3−x)の存在下で開裂した。
図5Dおよび図5Eは、それぞれ、成長したままのh−BNフィルムのデコンボリューションされたXPS B 1sおよびN 1sスペクトルを示す。それぞれ、B 1sおよびN 1sについて190.3eVおよび398.0eVに中心がある主ピークは両方ともsp2混成B−N結合に起因した。h−BNの化学構造は、図5Fに示される。
60℃〜100℃のより高い昇華温度で、前駆体の分解の速度は増加し、より多い量の気化前駆体が生成した。フィルム成長中に、非開裂N−C結合の存在がフィルム上で観察され得る。図13Aおよび図13Bは、h−BCNフィルムのデコンボリューションされたXPS B 1sおよびN 1sスペクトルを示す。B 1sスペクトルは、h−BNフィルムのそれ(図5D)に似ていた。しかし、N 1sスペクトルについては、より小さいショルダーが、N−C結合に起因する399.6eVのより高い結合エネルギーで観察された。h−BCNフィルムの化学構造は、図13Cに示された。この構造において、C原子は、h−BNマトリックスにおいてB原子で置換されている。
昇華温度が100℃超にさらに上げられた場合、TMABは、非常に迅速に気化し、多くのBNおよびC化学種を両方とも発生させる。これは、高い核形成速度で複合BNCフィルムの成長をもたらした。成長したフィルムは多くの場合、BNおよびCの多層ドメインでより厚かった。
表2は、TMABについて様々な昇華温度を用いて得られた終局フィルムを示す。他のアミン錯体については、Cの異なる組成を達成するための必要とされる昇華温度は、その個別の溶融温度に比例的に依存して調整され得る。
1D BNまたはBCNナノチューブを合成するために、NiまたはFeを含むがそれらに限定されない金属触媒の薄層が、その非限定的な例がシリコンである、基材上に堆積させられた。熱処理時に、類似のCVDプロセスを用いると、薄いNiまたはFeフィルムは、塊になってナノサイズ粒子になり得る。
一般に、2つのタイプのナノチューブ成長メカニズム、すなわち、先端成長および根成長が、それぞれ、図15Aおよび図15Bに示されているように可能である。両成長手順において、BN(またはBCN)前駆体は、金属粒子中へ吸収され、それぞれのナノチューブが、触媒の外周に従って上向きに成長することによって形成され得る。2つのタイプの成長の唯一の相違は、根成長については、触媒が基材の表面にとどまり得るのに対して、先端成長については、触媒がナノチューブに従って基材の表面から離昇し得ることである。垂直配向または「スパゲティ様」ナノチューブが両方とも、CVD成長法を用いて得られ得る。
同様に、BNおよびBCNナノチューブは、テンプレート支援CVDアプローチによっても達成され得る(図16)。例えば、商業的に入手可能なカーボンナノチューブを出発基材として使用することによって、BN層またはBCN層が、ナノチューブの外壁上に共形的にコートされた。BN層およびBCN層は、カーボンナノチューブと比べてより高温で酸化に対してより耐性があるため、内側カーボンナノチューブは、約400〜700℃で空気中においてアニールすることによって焼き払われ得る。アニーリング後に、残ったBNまたはBCNコーティング層は、ナノチューブテンプレートの形態構造を保持しており、こうしてBNナノチューブまたはBCNナノチューブを得ることができる。
実施例8: 2D BN/BCNフィルムの製造(実施形態4)
原子的に薄い、高結晶性2D BNおよびBCNフィルムの平面シートを、図17に示されるように、CuおよびNi箔を含むが、それらに限定されない触媒金属基材上にエピタキシャルに成長させた。成長したままのBNまたはBCNフィルムは、それが金属格子との厳密なエピタキシャル関係に従うような高秩序の原子的配置を示した。
原子的に薄い、高結晶性2D BNおよびBCNフィルムの平面シートを、図17に示されるように、CuおよびNi箔を含むが、それらに限定されない触媒金属基材上にエピタキシャルに成長させた。成長したままのBNまたはBCNフィルムは、それが金属格子との厳密なエピタキシャル関係に従うような高秩序の原子的配置を示した。
一般に、成長中に、触媒金属基材は前駆体の分解を支援し得、分解した化学種は、金属基材の格子拡大によって明らかなように基材のかさ中へ拡散した。冷却するとすぐに、これらの活性化学種は、表面へ分離され、結晶性フィルムの薄層が析出によって形成された。そのようなBNおよびBCNフィルムが金属基材上に成長したが、様々なタイプの転写技術を用いてこれらのフィルムを任意の基材上に転写し得ることは十分に文書化されていた。
実施例9: 3D BN/BCNフォームの製造(実施形態5)
CVD技術はまた、非限定的な例として、Cu、Niおよび他の多孔質フォームを基材として使用してBNおよびBCNの3Dネットワークを製造するために広げられ得る。一層から数層の極薄BNまたはBCNを、CVDによって全3D多孔質フォーム上にエピタキシャルに成長させた。成長メカニズムは、2Dフィルムについての成長と同じものであってもよい(図17)。BNまたはBCN層の厚さは、成長継続時間の増加および使用される前駆体の量などの様々な成長パラメータを変えることによって制御され得る。図18に示されるような、独立した3D BNまたはBCNフォームは、特有のタイプの金属にとって適切なエッチャントを使用する湿式エッチプロセスによって多孔質基材をその後除去することによって得られ得る。
CVD技術はまた、非限定的な例として、Cu、Niおよび他の多孔質フォームを基材として使用してBNおよびBCNの3Dネットワークを製造するために広げられ得る。一層から数層の極薄BNまたはBCNを、CVDによって全3D多孔質フォーム上にエピタキシャルに成長させた。成長メカニズムは、2Dフィルムについての成長と同じものであってもよい(図17)。BNまたはBCN層の厚さは、成長継続時間の増加および使用される前駆体の量などの様々な成長パラメータを変えることによって制御され得る。図18に示されるような、独立した3D BNまたはBCNフォームは、特有のタイプの金属にとって適切なエッチャントを使用する湿式エッチプロセスによって多孔質基材をその後除去することによって得られ得る。
実施例10: 商業的応用(実施形態6)
BNおよびBCN層を様々な基材上に成長させるための方法は、紫外(UV)レージングデバイス、保護コーティング、2D材料用の基材/誘電体、バンドギャップエンジニアリング材料、超軽量/可撓性/透明エレクトロニクス、熱界面材料、エレクトロニクス用のトップベースのヒートスプレッダ、推進剤精製用の3D BN/BCNフォーム、熱管理、および宇宙応用のために適用され得る。
BNおよびBCN層を様々な基材上に成長させるための方法は、紫外(UV)レージングデバイス、保護コーティング、2D材料用の基材/誘電体、バンドギャップエンジニアリング材料、超軽量/可撓性/透明エレクトロニクス、熱界面材料、エレクトロニクス用のトップベースのヒートスプレッダ、推進剤精製用の3D BN/BCNフォーム、熱管理、および宇宙応用のために適用され得る。
実施例10.1: 2D BN/BCNフィルムの大量製造
CVDによる2D BNおよびBCNフィルムの大量生産は、前駆体としてアミンボラン錯体を使用して著しくより低いコストで達成され得る。フィルムにおけるCドーピングの同調性は、前駆体の昇華温度によって制御され得、フィルムの厚さは、圧力、温度、およびガス流量などの他のパラメータと一緒に成長時間を変えることによって調整され得る。工業用炉を用いることによって、2Dフィルムのサイズは、ウェハーサイズ以上の基材までさらにスケールアップされ得る。
CVDによる2D BNおよびBCNフィルムの大量生産は、前駆体としてアミンボラン錯体を使用して著しくより低いコストで達成され得る。フィルムにおけるCドーピングの同調性は、前駆体の昇華温度によって制御され得、フィルムの厚さは、圧力、温度、およびガス流量などの他のパラメータと一緒に成長時間を変えることによって調整され得る。工業用炉を用いることによって、2Dフィルムのサイズは、ウェハーサイズ以上の基材までさらにスケールアップされ得る。
実施例10.2: BCNフィルムのバンドギャップエンジニアリング
BCNフィルムへのCドーピングの組み込みは、バンドギャップ同調性を可能にした。一層から数層のh−BNは、約5〜6eVの幅広いバンドギャップを有する。これらのフィルムをCでドープすることによって、バンドギャップナローイングが観察された。Cの量を変えることで、バンドギャップナローイング効果は0〜6eVの幅広い範囲をカバーすることが期待される。0eVのバンドギャップは本質的に、すべてC原子の(すなわち、BN原子がすべてCで置換されている)グラフェンである。バンドギャップ同調性を持ったそのようなハイブリッド材料は、光学、オプトエレクトロニクスおよびエレクトロニクス用途向けに使用され得る。
BCNフィルムへのCドーピングの組み込みは、バンドギャップ同調性を可能にした。一層から数層のh−BNは、約5〜6eVの幅広いバンドギャップを有する。これらのフィルムをCでドープすることによって、バンドギャップナローイングが観察された。Cの量を変えることで、バンドギャップナローイング効果は0〜6eVの幅広い範囲をカバーすることが期待される。0eVのバンドギャップは本質的に、すべてC原子の(すなわち、BN原子がすべてCで置換されている)グラフェンである。バンドギャップ同調性を持ったそのようなハイブリッド材料は、光学、オプトエレクトロニクスおよびエレクトロニクス用途向けに使用され得る。
実施例10.3: BN/BCNコーティング
BNの高い熱および化学安定性ならびに強い機械的特性のために、BNおよびBCNフィルムは両方とも、高い耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性を、コートされている材料に提供し得る。本明細書で開示される様々な実施形態は、直接コーティング法を可能にする(すなわち、金属について)か、または成長したままのフィルムは、より敏感な材料を封入するためにいかなる任意の基材にも転写され得る。これらの被覆BN層は、大気(すなわち、酸化)への暴露時により脆弱な他のナノ構造化材料(すなわち、グラフェン、カーボンナノチューブ、遷移金属ジカルコゲナイドおよび黒リン)への分解を防ぎ得る。
BNの高い熱および化学安定性ならびに強い機械的特性のために、BNおよびBCNフィルムは両方とも、高い耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性を、コートされている材料に提供し得る。本明細書で開示される様々な実施形態は、直接コーティング法を可能にする(すなわち、金属について)か、または成長したままのフィルムは、より敏感な材料を封入するためにいかなる任意の基材にも転写され得る。これらの被覆BN層は、大気(すなわち、酸化)への暴露時により脆弱な他のナノ構造化材料(すなわち、グラフェン、カーボンナノチューブ、遷移金属ジカルコゲナイドおよび黒リン)への分解を防ぎ得る。
実施例10.4: フォーム様構造の3D BN/BCN
CVDによる3D BNおよびBCNフォームの大量生産は、2Dバージョンと同様に、前駆体としてアミンボラン錯体を使用して著しくより低いコストで達成された。これらの独立した多孔質BNおよびBCNフォームは、熱管理、ポリマー用の複合材料、可撓性エレクトロニクス、および汚染物質精製向けの、ならびに宇宙用途向けの広範囲の用途を有し得る。
CVDによる3D BNおよびBCNフォームの大量生産は、2Dバージョンと同様に、前駆体としてアミンボラン錯体を使用して著しくより低いコストで達成された。これらの独立した多孔質BNおよびBCNフォームは、熱管理、ポリマー用の複合材料、可撓性エレクトロニクス、および汚染物質精製向けの、ならびに宇宙用途向けの広範囲の用途を有し得る。
本発明は、その模範的な実施形態に関連して特に示され、記載されてきたが、以下の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更がその中で行われ得ることは、当業者によって理解されるであろう。
Claims (30)
- 窒化ホウ素材料の製造方法であって、その方法は、
a)基材を提供する工程と、
b)前記基材上にアミンボラン錯体を昇華させて前記窒化ホウ素材料を得る工程と
を含み、形成される窒化ホウ素材料の組成を制御するために、昇華が行われる温度を変化させる、方法。 - 前記窒化ホウ素材料は窒化ホウ素ナノチューブである、請求項1に記載の方法。
- 前記基材を提供する工程は、支持体上に配置された不連続な粒子状の金属の層を有する基材を提供することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記基材を提供する工程は、1つまたは複数のカーボンナノチューブを有する基材を提供することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記基材上にアミンボラン錯体を昇華させた後、酸素を含む環境下において約400℃〜約700℃の範囲の温度で前記基材をアニールすることにより、前記1つまたは複数のカーボンナノチューブを除去することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は多孔質窒化ホウ素材料である、請求項1に記載の方法。
- 前記基材を提供する工程は、多孔質支持体上に配置された金属の層を有する基材を提供することを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記基材上にアミンボラン錯体を昇華させた後、前記基材にエッチング処理を施すことにより前記基材を除去することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は窒化ホウ素フィルムである、請求項1に記載の方法。
- 前記基材を提供する工程は、支持体上に配置された連続的な形態の金属の層を有する基材を提供することを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記基材上にアミンボラン錯体を昇華させた後、前記基材に電気化学的剥離処理を施すことにより前記基材を除去することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記基材を提供する工程は、約700℃以上、好ましくは約700℃〜約1100℃の範囲の温度で不活性環境下において前記基材をアニールすることを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基材上にアミンボラン錯体を昇華させる工程は、約5分〜約20分の範囲の間行われる、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は、前記基材上に単分子層として存在する、請求項13に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体は一般式R3N・BX3を有し、
Xはそれぞれ、水素およびハロゲンからなる群から独立して選択され、
Rはそれぞれ、水素、置換または非置換C1〜C20アルキル、置換または非置換C1〜C20アルコキシ、置換または非置換C2〜C20アルケニル、置換または非置換C2〜C20アルキニル、置換または非置換C3〜C20脂環式基、置換または非置換C5〜C15アリール、置換または非置換C6〜C30アルキルアリール、置換または非置換C3〜C20複素環、置換または非置換C4〜C30アルキル複素環、置換または非置換C5〜C15ヘテロアリール、−NR’’R’、−NR’’、−OR、−SR’’、−CN、−NO2、−C(O)−R’’、−COOR’’、−C(O)−NR’’R’、−C(NR’’)−R’、−SO2−R’’、−(SO2)−OR’’、−C(S)−R’’、および−C(S)−NR’’R’からなる群から独立して選択され、R’’およびR’は、H、ハロゲン、置換または非置換C1〜C20アルキル、置換または非置換C1〜C20アルコキシ、置換または非置換C2〜C20アルケニル、置換または非置換C2〜C20アルキニル、および置換または非置換C5〜C15アリールからなる群から独立して選択される、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。 - Xが水素である、請求項15に記載の方法。
- Rが独立して、1〜10個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状の非置換アルキルである、請求項15または16に記載の方法。
- Rがメチルである、請求項15〜17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体がトリメチルアミンボランを含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約100℃未満の温度で行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は、約0重量%〜約5重量%の炭素でドープされた窒化ホウ素である、請求項20に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は、1つまたは複数の単結晶ドメインを含む、請求項20または21に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の単結晶ドメインのそれぞれが100μm以上の最大寸法を有する、請求項22に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約50℃以下、好ましくは約40℃以下の温度で行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は本質的に窒化ホウ素からなる、請求項24に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約50℃を超えてかつ約100℃未満の温度で行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は、約2重量%〜約5重量%の炭素でドープされている、請求項26に記載の方法。
- 前記アミンボラン錯体を昇華させる工程は、約100℃以上の温度で行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記窒化ホウ素材料は、窒化ホウ素および炭素からなる1つまたは複数のドメインを含む窒化ホウ素複合物である、請求項28に記載の方法。
- 請求項1〜29のいずれか一項に記載の方法によって製造される窒化ホウ素材料。
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