氮化硼材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种制备氮化硼材料，例如氮化硼(BN)或碳氮化硼(BCN)的方法。该方法可以包括：提供衬底；以及使胺硼烷络合物升华到衬底上以获得氮化硼材料。氮化硼络合物包括，但不限于，环硼氮烷、氨基硼烷、三甲胺硼烷和三乙胺硼烷。此外，可以改变进行升华的温度以控制所形成的氮化硼材料的组成。此外，通过使用本方法，可以获得各种形态，即膜、纳米管和多孔泡沫。

Boron nitride material and its preparation method

The invention provides a method for preparing boron nitride materials, such as boron nitride (BN) or boron carbonitride (BCN). The method may include: providing a substrate; and sublimating the aminoborane complex onto the substrate to obtain a boron nitride material. Boron nitride complexes include, but are not limited to, cycloborazane, aminoborane, trimethylamine borane and triethylamine borane. In addition, the sublimation temperature can be changed to control the composition of the formed boron nitride material. In addition, by using this method, various forms can be obtained, namely membranes, nanotubes and porous foams.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氮化硼材料及其制备方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年1月8日提交的新加坡专利申请号10201600155R的优先权，其内容通过引用全部并入本文用于所有目的。
各种实施例涉及氮化硼材料以及制备氮化硼材料的方法。
技术介绍
六方氮化硼(h-BN)由于其类似于石墨的蜂窝状晶格结构，因此也称为“白色石墨”。独特地作为二维(2D)族中的绝缘体，外加其原子平滑度和低密度的表面悬空键(danglingbonds)，h-BN表现出许多优异的性能，可以用作为其他2D材料的衬底或介电材料、保护涂层、热界面材料、和散热片，其他2D材料例如是石墨烯、以及用于各种高性能2D异质结构装置和下一代2D异质结构电子器件的过渡金属二硫化物(TMDs)。由于其能够承受苛刻条件，h-BN还可以用作超薄封装层，以防止由于更容易氧化的材料(例如黑磷(BP))导致的装置降解。出于工业化和可制造性的需求，已经探索了各种为实现大距离的原子级薄的h-BN膜的合成技术，例如表面偏析方法、固体源扩散、离子束溅射沉积(IBSD)、脉冲激光沉积(PLD)、反应磁控溅射、以及分子束外延(MBE)。对于BN膜的生长，已经探索了传统的含硼气态前体，例如三溴化硼(BBr3)、三氟化硼(BF3)、三氯化硼(BCl3)以及乙硼烷(B2H6)，和含氮气态前体，例如氨(NH3)，一起作为原料气体。然而，这些含硼化合物毒性很大，这限制了它们的应用。因此，对于高质量BN膜生长，探索和开发其他毒性较小且成本较低的替代品以及其相应的工艺仍然是迫切需要的。可以通过将CH4混合到反应中，使用另外的含C前体制备包含BN和石墨烯域(BNC)的复合材料的三元膜。厚度为100nm以上的、块状无定形、有纹理的或纳米晶体的BNC膜典型地可以在Si衬底上生长。然而，由于缺乏催化活性、外延关系和不同的生长机制，原子级薄的高度结晶的膜不能沉积到Si或其他介电衬底上。在这种情况下，由于前体的不可控的成核以及不完全分解，BN或BNC膜的生长是随机取向的。鉴于上述情况，仍然需要一种制备氮化硼材料的改进方法，以克服或至少减轻一个或多个上述问题。
技术实现思路
在第一方面中，提供了一种制备氮化硼材料的方法。所述方法包括：a)提供衬底；以及b)使胺硼烷络合物升华到衬底上以获得氮化硼材料，其中，改变进行升华的温度以控制所形成的氮化硼材料的组成。在第二方面中，提供了一种通过根据第一方面的方法制备的氮化硼材料。附图说明参考以下详细描述，以及非限制性实施例和附图，能够更好地理解本专利技术，其中：图1A是描绘用于h-BN/h-BCN膜生长的化学气相沉积(CVD)设置的总体布局的示意图。如本文所用，h-表示六方形的，BN表示氮化硼，而BCN表示掺杂有碳的氮化硼。图1B是描绘用于根据一个实施例的h-BN/h-BCN膜生长的化学气相沉积(CVD)设置的布局的示意图。在所示的实施例中，输入气体包括氩(Ar)和氢气(H2)，胺硼烷是三甲胺硼烷(TMAB)，单独的加热区域是加热带，衬底是铜(Cu)箔，温度是1050℃，熔炉的出口连接到排气口。图1C是示出TMAB在惰性气氛下的热重分析(TGA)和差热分析(DTA)谱的图。图1D是示出通过使用TMAB作为单源前体形成h-BN的可能反应路径的示意图。图1E是示出通过使用TMAB作为单源前体形成h-BN和h-BCN的可能反应路径的示意图。图1F是示出BNC膜的原子结构的示意图。如本文所用，BNC表示具有一个或多个氮化硼(BN)以及碳(C)的域的氮化硼复合材料。图1G是示出BCN膜的原子结构的示意图。图1H是示出(i)BCN和(ii)BNC膜的UV-可见吸收光谱的图。图2是示出使用TMAB作为前体的、在SiO2衬底上的h-BNCVD生长过程前((ii)，黑色迹线)后((i)，红色迹线)的所制备样品的拉曼光谱图。约1450cm-1处的峰归因于三阶Si横向光学(TO)声子模式。没有检测到其他峰表明在CVD过程后没有膜在SiO2表面上生长。图3A是空气氧化后的h-BN/Cu的光学图像。较亮和较暗的对比度分别代表h-BN域和氧化的Cu。图3B是在Cu衬底上生长的部分连续的h-BN膜的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3C是转移到SiO2/Si衬底上的h-BN域的光学图像。图3D是转移到SiO2/Si衬底上的h-BN域的原子力显微镜(AFM)图像。白色箭头表示凸出的弯曲的边缘，插图示出了横跨蓝线的膜的厚度。图3E示出了单个h-BN域的拉曼映射。图3F示出了由图3E中的(i)品红色、(ii)蓝色、(iii)红色和(iv)黑色的点表示的相应的拉曼光谱。图3G是示出单层h-BN的傅里叶变换红外光谱(FTIR)的图。图3H是示出吸收光谱的图。图3I是示出用于图3H的单层h-BN的OBG提取的相应的Tauc图的图。图4A是转移到TEM网格上的单层h-BN膜的典型低倍率透射电子显微镜(TEM)图像。图4B示出了图4A中描述的h-BN膜的电子能量损失谱(EELS)。图4C是在转移后的单层h-BN膜的边缘处拍摄的高倍率TEM图像。图4D是在转移后的单层h-BN膜的内部拍摄的高倍率TEM图像。虚线轮廓表示膜中的三角形孔。图4E是单层h-BN的典型的选区电子衍射(SAED)图。图5A是示出所生长的h-BN/Cu((i)，红色迹线)和退火后的裸露的Cu((ii)，黑色迹线)的X射线光电子能谱(XPS)测量光谱的图。图5B是示出所生长的h-BN/Cu((i)，红色迹线)和退火后的裸露的Cu((ii)，黑色迹线)的C1s光谱的图。图5C是示出h-BN/Cu的解卷积高分辨率C1sXPS光谱的图。图5D是示出h-BN/Cu的解卷积高分辨率B1sXPS光谱的图。图5E是示出h-BN/Cu的解卷积高分辨率N1sXPS光谱的图。图5F是示出h-BN膜的化学键合结构的示意图。图6A是在40℃的Ts下暴露于TMAB5分钟后的Cu上生长的h-BN的SEM图像。插图示出了其相应的放大SEM图像。图6B是在40℃的Ts下暴露于TMAB8分钟后的Cu上生长的h-BN的SEM图像。插图示出了其相应的放大SEM图像。图6C是在40℃的Ts下暴露于TMAB10分钟后的Cu上生长的h-BN的SEM图像。插图示出了其相应的放大SEM图像。图6D是在40℃的Ts下暴露于TMAB15分钟后的Cu上生长的h-BN的SEM图像。插图示出了其相应的放大SEM图像。图6E是在40℃的Ts下暴露于TMAB20分钟后的Cu上生长的h-BN的SEM图像。插图示出了其相应的放大SEM图像。图6F是图6E中的膜的高倍率SEM图像，以显示吸附层(adlayer)三角形状的岛。图7A是在抛光后的Cu上生长的h-BN域的SEM图像。插图是其放大的SEM图像。图7B是在未抛光的Cu上生长的h-BN域的SEM图像。插图是其放大的SEM图像。图7C是描绘通过相邻域之间的聚结从而形成的h-BN域的复杂多面结构的SEM图像。图7D是描绘通过相邻域之间的聚结从而形成的h-BN域的复杂多面结构的SEM图像。图7E是描绘通过相邻域之间的聚结从而形成的h-BN域的复杂多面结构的SEM图像。图8是抛光后的Cu上的h-BN单晶域的SEM图像。红色、黄色、蓝色以及绿色箭头表示域的相对取向。可以通过如插本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备氮化硼材料的方法，所述方法包括：a)提供衬底，以及b)使胺硼烷络合物升华到所述衬底上以获得氮化硼材料，其中，改变进行升华的温度以控制所形成的氮化硼材料的组成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.08 SG 10201600155R1.一种制备氮化硼材料的方法，所述方法包括：a)提供衬底，以及b)使胺硼烷络合物升华到所述衬底上以获得氮化硼材料，其中，改变进行升华的温度以控制所形成的氮化硼材料的组成。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化硼材料是氮化硼纳米管。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括：提供具有布置在载体上的离散颗粒形式的金属层的衬底。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括：提供具有一个或多个碳纳米管的衬底。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在使所述胺硼烷络合物升华到所述衬底上之后，通过在含氧的环境中且在约400℃至约700℃温度范围内对所述衬底进行退火，从而除去所述一个或多个碳纳米管。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化硼材料是多孔氮化硼材料。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括：提供具有布置在多孔载体上的金属层的衬底。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在使所述胺硼烷络合物升华到所述衬底上之后，通过对所述衬底进行蚀刻处理从而除去所述衬底。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化硼材料是氮化硼膜。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括：提供具有布置在载体上的连续形式的金属层的衬底。11.根据权利要求10所述的方法，还包括：在将所述胺硼烷络合物升华到所述衬底上之后，通过对所述衬底进行电化学脱层处理从而除去所述衬底。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述衬底包括：在惰性环境中，在约700℃或更高，优选地，约700℃至约1100℃的温度范围内对所述衬底进行退火。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在范围为约5分钟至约20分钟的时间段使所述胺硼烷络合物升华到所述衬底上。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述氮化硼材料作为单层存在于所述衬底上。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述胺硼烷络合物的通式为R3N·BX3，其中X在每次出现时独立地选自氢和卤素，并且R在每次出现时独立地选自氢、取代或未取代的C1-C20烷基、取代或未取代的C1-C20烷氧基、取代或未取代的C2-C20烯基、取代或未取代的C2-C20炔基、取代或未取...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑颖杰，李红玲，曾绍康，张汉忠，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG