一种六角相氮化硼薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种六角相氮化硼薄膜的制备方法，采用物理气相沉积方法，由固态硼源提供硼原子，在衬底上形成六角相氮化硼薄膜；物理气相沉积的沉积速率为0.01nm/min～20nm/min，成膜过程中控制衬底温度为20～1600℃，最后以10～400℃/min的速率降温至室温。本发明专利技术方法制备六角相氮化硼薄膜，采用固态硼源，安全性好、制备方法简单、易于实现，制备得到的六角相氮化硼薄膜由1-200层的六角相氮化硼单元层组成。本发明专利技术方法制备得到的二维六角相氮化硼薄膜，具有优异的绝缘特性和平整度，可用于石墨烯光电子器件提高器件性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮化硼薄膜的制备方法，特别涉及一种采用固态硼源生长的二维的六角相氮化硼薄膜的制备方法。
技术介绍
II1-V族化合物氮化硼(BN)与IV族的C类似，既有类似于金刚石结构的sp3键构成的相，又有类似于石墨结构的sp2构成的相。存在四种主要的异构体，它们本别是与金刚石对应的闪锌矿结构的立方相氮化硼(cubicboron nitride :c_BN)、与六方金刚石对应的纤锌矿结构的六方相氮化硼(wurtzite boron nitride :w_BN)、与六角石墨对应的六角相氮化硼(hexagonalboron nitride :h_BN)、与三方菱面体结构石墨对应的菱面体氮化硼(rhombohedral boron nitride :r_BN)。其中，h_BN 与 r_BN 是层状的二维材料,在同一层中的硼氮原子之间是以sp2键结合，层与层之间的作用力为范德华力；w-BN和c-BN中的硼氮原子之间是以sp3键结合，不同结构决定了它们具有不同的性质；通常，只有h-BN和c-BN是稳定相。纳米材料包括零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料,纳米材料具有与体材料不同的光电、化学、热等性能；一维及零维纳米材料已有20多年研发历史,而真正对二维纳米材料的研究是近几年才开展起来的，特别是2004年来对石墨烯的研究以来。二维纳米材料主要有由元素周期表中第四主族元素构成层状薄膜如石墨烯(由碳元素组成)、硅烯(由硅元素组成)和锗烯(由锗元素组成)、金属硫族化合物如MoS2, WS2和GaS等，以及六角氮化硼等层状材料。目前，研究 较多的二维纳米材料是石墨烯薄膜，受石墨烯及其独特性能研究的影响，其它的类石墨烯的二维薄膜也越来越受到研究者的关注。二维六角相氮化硼薄膜，由于其优异的绝缘特性和平整度用于石墨烯光电子器件能够显著地提高器件的性能。目前，制备二维的六角相氮化硼的主要方法是化学气相沉积方法(CVD) [“Toward the controlled synthesisof hexagonal boron nitride films，，ACSNano 2012,6,6378], CVD法是在一定的温度下将含氮和硼原子的单一气体，或者分别含有氮和含有硼原子的气体分解而在衬底上形成h-BN薄膜，由于含硼气体为有害气体，使用CVD方法制备二维六角相氮化硼薄膜存在安全隐患。公开号为CN101913598A的中国专利文献公开了一种采用物理气相沉积(PVD)方法如热处理、热蒸镀、溅射、电子束沉积、激光沉积或等离子沉积将碳原子从固态碳源释放而制备石墨烯薄膜的技术方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种操作简单、易于实现、安全性好的制备层状的二维六角相氮化硼薄膜的方法。—种六角相氮化硼薄膜的制备方法，采用物理气相沉积方法，由固态硼源提供硼原子，在衬底上形成六角相氮化硼薄膜；物理气相沉积时的沉积速率为0. Olnm/min 20nm/min ;成膜过程中控制衬底温度为20 1600°C，最后以10 400°C /min的速率降温至室温。采用物理气相沉积方法，将硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子释放至衬底，硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子在衬底上扩散并成膜，这里“基团”不仅仅是指原子，也包括含有该元素的其它离子等，以氮为例，包括氮原子、n2\ NH3+等。硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子的释放以及在衬底上成核生长成有序的h-BN需要一定的能量，这些能量还可以激发衬底使衬底具有一定催化功能，所需的能量可以来自于物理气相沉积方法本身，如物理气相沉积方法中的一定能量的粒子束(离子束、电子束、光子束等)等，也可以通过对衬底加热获得。控制h-BN与c-BN的相互转变是可控制备h_BN或c_BN薄膜的关键，这涉及对衬底温度和降温速率的控制或者对粒子束的能量进行控制。采用离子束辅助的PVD法制备c-BN薄膜的基本机理常是将易制备的h-BN薄膜通过一定的条件使h-BN转化为c-BN ;—般地，高能粒子比如硼离子、氮离子以及氩离子与衬底及已有的氮化硼薄膜(非晶或h-BN薄膜)碰撞产生大量热能够使温度迅速提高以及产生高压，并使薄膜产生很大应力，这种高温高压以及大应力可以使h-BN转化为c-BN而获得c-BN薄膜。为了制备h_BN薄膜就该阻止h-BN向c-BN转变，这可以通过使用较低的沉积速率来实现，在一定程度上，较低的沉积速率意味较低能量的粒子流；也可以通过对衬底温度以及降温速率的控制而实现使热、应力等能够在薄膜中快速释放。比如将衬底温度控制在较低的条件下沉积氮化硼薄膜(往往是非晶氮化硼与h-BN的混合膜)，然后升高到一定的温度对这种混合膜进行热处理使之形成有序的h-BN薄膜，最后以一定的降温速率将温度降至室温；或者在较高的温度下沉积并形成h-BN，然后以一定的降温速率降温而抑制h-BN向c-BN的转变。一般地，高温高压下，c-BN比h-ΒΝ稳定。本专利技术的六角相 氮化硼薄膜的制备方法，可以为如下步骤(I)在500°C 1600°C的衬底温度时，将硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子沉积在衬底上，沉积速率为O. Olnm/min 20nm/min ；(2)以降温速率10°C /min 400°C /min将温度降到室温。优选地，成膜过程中控制衬底温度为500 1200°C，沉积速率为O. Olnm/min 20nm/min,最后以30 300°C /min的速率降温至室温。成膜过程中控制衬底温度为500 1200°C，最后以30 300°C /min的速率降温至室温，容易在衬底上形成完美的纯六角相结构的氮化硼薄膜。本专利技术的六角相氮化硼薄膜的制备方法，还可以包括如下步骤(I)在20°C 500°C较低的衬底温度时，将硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子沉积在衬底上，沉积速率为O. Olnm/min 20nm/min ；(2)对沉积有硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子的衬底在500°C 1600°C进行热处理；(3)热处理后，以降温速率10°C /min 400°C /min将温度降到室温。优选地，所述的热处理时间为I 180min。所述的衬底为Al、T1、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Re、Pt、Mg、ZrB2、SiC、S1、Ge、GaN、GaAs, SiO2, BN、Si3N4' HfO2, Al2O3' MgO, MoO2' MoS2' MoSe2, MoTe2' W02、WS2、WSe2、WTe2、Ti S2、ZrS2、SnO、SnS、SnSe、GeS、GeSe、SnS2、SnSe2、GaS、GaSe、石墨烯薄膜中的一种或几种的组合。这些衬底材料可以分为金属、半导体、绝缘体，可以是三维的也可以是二维的；由于衬底材料的催化活性不一样，所以对衬底的选择可以影响到所需衬底温度的高低。所述的物理气相沉积方法为离子束沉积、电子束沉积、激光沉积、红外线加热沉积、溅射沉积、热蒸镀沉积、分子束外延沉积中的一种或几种的组合。具体采用哪种物理气相沉积方法并无严格要求，但一般情况下，物理气相沉积是在低真空至超高真空下进行的；形成h-BN薄膜的气压可以在常压至超高真空下。所述的固态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六角相氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法，由固态硼源提供硼原子，在衬底上形成六角相氮化硼薄膜；物理气相沉积的沉积速率为0.01nm/min～20nm/min；成膜过程中控制衬底温度为20～1600℃，最后以10～400℃/min的速率降温至室温。

【技术特征摘要】
1.一种六角相氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法，由固态硼源提供硼原子，在衬底上形成六角相氮化硼薄膜；物理气相沉积的沉积速率为O. Olnm/min 20nm/min ;成膜过程中控制衬底温度为20 1600°C,最后以10 400°C /min的速率降温至室温。2.如权利要求1所述的六角相氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，成膜过程中控制衬底温度为500 1200°C，最后以30 300°C /min的速率降温至室温。3.如权利要求1所述的六角相氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，所述的成膜过程中包括如下步骤 (1)在20°C 500°C较低的衬底温度时，将硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子沉积在衬底上，沉积速率为O. Olnm/min 20nm/min ； (2)对沉积有硼原子基团和氮原子基团或者氮化硼分子的衬底在500°C 1600°C进行热处理； (3)热处理后，以降温速率10°C/min 400°C /min将温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明生，陈红征，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：