大尺寸六方氮化硼二维晶体的CVD生长及机制研究

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二维材料(2D)具有单原子层级的厚度及稳定的物化性能。通过将不同的2D材料以平面或者垂直堆叠的形式组合成不同的异质材料,可以得到不同于单一材料所具有的性能,2D材料的这些特点决定了其成为最近科学界的研究热点。六方氮化硼(h-BN)是与石墨烯结构类似的二维绝缘体材料,它作为介电层在提高场效应晶体管器件的迁移率方面拥有广泛的应用前景。然而如何可控制备大面积、高质量的h-BN依旧是目前研究中所面临的首要问题。基于此,我们利用化学气相沉积(CVD)的方法,研究了如何可控制备大面积、高质量的h-BN,并取得了一系列进展。研究了在低压CVD体系中,成核密度、反应时间、反应压力、反应温度等参数对h-BN生长的影响;优化参数,制备出了单晶尺寸达到20μm且厚度均一的大面积h-BN薄膜。该薄膜具有较高的热稳定性(在950℃空气中依旧可以保持结构的稳定性)。利用它的热定稳定性,在空气中对铜箔氧化处理,可以清晰的观察到三角形形状的单片h-BN。进一步研究表明表面干净的h-BN作为介电层时,使石墨烯场效应晶体管器件的迁移率提高了6倍,这说明二者界面的干净程度对器件的电学性能有着决定性的影响。在本研究中,我们提出了一种简单、有效的实验方法来制备大尺寸的h-BN单晶,同时发现了介电层表面的干净程度对石墨烯的电学性能有重要的影响。通过对材料制备过程中系统压力、生长温度、气氛比例等参数调节,从原料分子扩散动力学的角度研究了h-BN的演化规律,并研究了其形成机制。我们发现单片三角形h-BN的形貌随着原料浓度的变化,其边缘形貌可以发生从内凹到外凸的变化;进一步发现在h-BN刻蚀过程中,通过调节刻蚀气氛,其刻蚀机理可以发生从各向异性刻蚀到分形刻蚀的转变,从而导致了其刻蚀图案从三角形图案到枝晶状图案的转变。该研究结果为其他二维材料图案化的可控制备提供了一定的参考基础。以液态铜为生长基底,增加基底表面平整度,消除基底表面晶界,来制备大尺寸h-BN单晶。同时在生长体系中加入定量的水,可以有效的降低成核密度,达到快速制备大尺寸h-BN单晶的目的。该方法中液态铜的表面更加平整进而消除了表面晶界,使得原料分子在基底表面的扩散速度增加,从而使得h-BN的生长速度达到了12μm/min。同时使得h-BN单片尺寸大小提高了5倍,达到330μm的。进一步我们通过调节原料浓度的变化,从而调节单片h-BN的形貌发生从三角形到六边形最终到圆形的形貌转变。h-BN在液态铜表面的刻蚀过程遵循各向性刻蚀的原理。该研究为其它二维材料在快速制备大尺寸单晶方面提供了一种可行的实验方案。为了达到低温条件下制备高质量h-BN的目的,我们利用等离子体辅助的方法研究了在低温条件下如何制备高质量h-BN单晶及薄膜。实验中通过优化生长温度、等离子体强度、铜箔基底与等离子体间距离等参数,在相对较低温度500℃下制备得到了h-BN。h-BN的成核密度、单片尺寸均可以有效调控,同时生长速率提高了1.5倍。当低温条件下制备得到的h-BN在石墨烯场效应晶体管中作介电层时,测得的石墨烯最高空穴与电子迁移率分别为10,500 cm2V-1s-1与4,750 cm2V-1s-1,这说明在低温条件下同样可以制备得到高质量的h-BN。该方法为低温、低能耗条件下制备高质量的h-BN提供了一种新思路,同时该方法也可以应用到其它二维材料的制备中,具有普遍的适用性。
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