[发明专利]一种制备六方氮化硼薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及二维材料制备技术领域，具体涉及一种用铜镍合金衬底通过化学气相沉积方法制备大尺寸六方氮化硼晶畴和薄膜的方法。

背景技术

六方氮化硼（h-BN）是一种典型的二维平面材料，具有与石墨烯相类似的六方网状结构，由sp²杂化的B原子和N原子交替占据六方网格顶点而构成。六方氮化硼具有较高的禁带宽度（5.97eV），高面内机械强度和高热导率，以及很强的化学稳定性，使其在透明绝缘薄膜等领域具有非常广泛的应用前景。尤其是作为石墨烯器件的衬底绝缘层，由于其原子级平整的界面，石墨烯在六方氮化硼衬底上具有与悬空的石墨烯相当的迁移率。因而，六方氮化硼薄膜的制备工作成为近年来研究的一大热点。

与石墨烯相同，通过机械剥离的方法可以制备出高质量的单层和多层六方氮化硼薄膜。然而，机械剥离法成本高，效率低，制备的六方氮化硼薄膜晶畴普遍较小，难以批量制备，极大地限制了其在器件领域的应用。

化学气相沉积(CVD)方法是批量制备单层和多层六方氮化硼晶畴和连续膜的一种有效手段。目前，通过化学气相沉积方法已经在Cu、Ni、Au、Ru、Rh和Pt等过渡金属上制备出了六方氮化硼薄膜。然而，制备的六方氮化硼连续膜普遍厚度很不均匀，一般其原子层数在2～10不等；通过低压生长在Cu和Ni等衬底上制备的孤立的六方氮化硼晶畴虽然具有较高的单层覆盖率，但晶畴尺寸普遍很小，一般在几十纳米至十微米之间，难以满足其在器件领域应用的需要。因而，如何大规模制备出大尺寸可控层数的六方氮化硼晶畴仍然是目前科学研究的一大难点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备六方氮化硼薄膜的方法，用于解决现有技术中制备立方氮化硼晶畴的尺寸小的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备六方氮化硼薄膜的方法，所述制备六方氮化硼薄膜的方法至少包括步骤：

先制备铜镍合金箔作为衬底，将所述衬底置于压强为20～5000Pa的化学气相沉积腔室中，使所述衬底的温度保持在950～1090℃，并通入温度为50～100℃的源物质，同时通入保护气体生长10分钟～3小时，从而在所述铜镍合金箔衬底表面制备形成六方氮化硼薄膜。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，制备所述铜镍合金箔的过程为：先提供一铜箔，然后采用电镀、磁控溅射或蒸镀工艺在所述铜箔表面沉积镍层形成铜-镍双层衬底，再经过高温退火使镍铜充分固溶，形成所述铜镍合金箔。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，所述铜箔为纯度不低于99.5%的无氧铜箔，其厚度为10～120μm，表面粗糙度在50nm以下，在进行所述镍层沉积前需要对所述铜箔进行高温退火。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，对所述铜箔进行高温退后过程是在常压下进行，并通入氢气和氩气的混合气体，退火温度设置为980～1078℃，退火时间为1～3小时，氩气和氢气的分压比控制在3:1～20:1。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，对所述铜-镍双层衬底进行退火过程在氢气气氛下进行，退火温度设置为1050～1080℃，退火时间为0.5～3小时，腔室中的压强控制在500～5000Pa。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，采用电镀工艺在所述铜箔表面沉积镍层形成铜-镍双层衬底，其中，选用硫酸镍或者氨基磺酸镍电镀液,电流密度控制在0.01-0.5A/cm²，镀镍时间由铜箔厚度、待制备的铜镍合金箔中镍所占比例以及镀镍时的电流密度而定。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，采用磁控溅射工艺在所述铜箔表面沉积镍层形成铜-镍双层衬底，其中，靶材为纯度不低于5N的高纯镍，溅射功率控制在30～250W，溅射镍时间由铜箔厚度、待制备的铜镍合金箔中镍所占比例以及镍的沉积速度而定。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，所述铜镍合金箔的厚度为10～150μm，其中，Ni所占原子比例为10％～60％，Cu和Ni整体所占原子比例达到99.5％以上。

作为本发明制备六方氮化硼薄膜的方法的一种优选方案，所述源物质为BH₃NH₃、(HBNH)₃、(HBNCl)₃、(ClBNH)₃中的至少一种。