[发明专利]一种六角相氮化硼薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

III-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”ACS Nano 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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

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；物理气相沉积时的沉积速率为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。

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。