化学气相沉积法制备低维六方氮化硼的研究

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近些年来低维材料成为十分热门的研究内容,低维材料往往拥有独特的性能,相关应用价值体现在众多科研领域,这吸引了无数科研工作者的目光。六方氮化硼(hBN)属于众多低维材料中的一员,其表面原子级光滑,没有悬挂键,具有强热稳定性、化学惰性、抗氧化性、电绝缘性、高导热性,同时还具有独特的光电性能。如此优良的性能使得hBN在众多领域内具有深远的应用价值,同时高质量hBN薄膜的制备成为炙手可热的研究内容。低维hBN薄膜的制备先后经历了机械剥离法、液相剥离法以及物理气相沉积法和化学气相沉积法的发展,其中化学气相沉积(CVD)逐步成为最常见也是最有发展前景的制备方法。本实验中我们主要对低压化学气相沉积(LPCVD)制备低维hBN薄膜的工艺进行了探究。首先通过铜Cu衬底的退火工艺改善了金属Cu箔表面的粗糙度和结晶性,得到光滑的Cu(111)衬底表面。接着采用氨硼烷作为原料生长hBN薄膜,通过实验与表征相结合的方式开展研究,其中薄膜的X射线光电子能谱图(XPS)显示B 1s和N 1s轨道电子峰位分别位于190.47e V和398.14 e V,B、N原子比达到1.10:1。接着采用传统PMMA转移技术将1.5cm×1.5 cm大小的hBN薄膜转移至蓝宝石和Si O2/Si衬底表面进行了进一步的表征。原子力显微镜测得薄膜的厚度为10.5 nm左右,紫外可见吸收光谱测得薄膜在深紫外区210 nm附近具有强烈的吸收,并通过计算得到其禁带宽度位于5.9e V附近,证明了薄膜的良好结晶质量。除此之外本论文还探究了CVD中各实验参数对结果的影响,逐一通过控制变量法研究了生长气压、生长温度、生长时间以及氨硼烷加热温度对薄膜结果的影响,最后得到了LPCVD生长hBN薄膜的最佳工艺条件。另外通过对比不同生长条件下薄膜的击穿电压,证实了随着增加生长时间和提高源加热温度hBN薄膜的厚度随之增加。为了进一步证实薄膜的光电特性,本实验还制作了hBN薄膜的紫外光电探测器件。采用热蒸发的方式在hBN薄膜表面蒸镀金属金的叉指电极,其指间距和指宽均为100μm。制作得到的紫外光电探测器通过2410数字源表和波长为184.9 nm的光源测试了探测器的光暗电流,结果显示器件在2 V的偏压下其光电流达到1 n A,暗电流最高为300 p A,探测器良好的响应也证明了hBN薄膜的质量。
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