[发明专利]一种直接在Si衬底上生长六方氮化硼二维薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及六方氮化硼(h-BN)二维纳米薄膜的制备，特别是涉及一种直接在Si衬底上生长六方氮化硼二维薄膜的方法。

背景技术

类石墨结构的六方氮化硼(h-BN)，又称为“白石墨”。由于其二维薄层内部的晶体结构以强共价的sp²杂化成键，因此它拥有着和石墨烯同样优异的高热导、高机械强度、高柔性等(D.Golberg,Y.Bando,Y.Huang,T.Terao,M.Mitome,C.Tang,and C.Zhi,Boron nitride nanotubes and nanosheets.ACS Nano 4,2979(2010))，更为重要的是，BN不仅具有更高的热稳定性(>1000℃)，而且它的电子结构与AlN和GaN材料体系相近，同属于宽禁带半导体(块材带宽约5.76～6.4eV，纳米薄层结构(nanosheet)带宽约4.53eV)(M.Topsakal,E.Akturk,and S.Ciraci,First-principles study of two-and one-dimensional honeycomb structures of boron nitride.Phy.Rev.B 79,115442(2009))。Watanabe等人的研究结果证明，BN晶体在室温下的激子束缚能较大(约149～720meV)，不仅能获得很强的深紫外发光(215nm)，甚至能在一定的激发阈值之上发生尖锐的激射(K.Watanabe,T.Taniguchi,and H.Kanda,Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal.Nature Mater.3,404(2004))。这一系列更为突出的光电子性质，显示了h-BN二维纳米结构在功能特性上的强有力优势，同时也预示了它在未来的短波长(紫外、深紫外)光电子器件、透明薄膜、介电薄膜等领域中，具有巨大的开发潜能和广阔的应用前景。由于h-BN有非常好的性能，例如具有高热导，高机械强度，高化学稳定性，高抗电阻性等，使得h-BN具有非常广阔的运用前景，它可以被用在热界面材料中，如LED、LCD、TV、手机、电脑、电信设备等，也可以作为涂料起到保护作用和作为石墨烯的衬底。现在可以通过不同的方式来合成h-BN纳米薄膜，例如：微机械剥离法、溶液法、MOCVD、APCVD、LPCVD等。目前在运用CVD的方法合成h-BN的过程中，都使用到不同种类的金属作为衬底，如Cu、Pt、Ni等(K.K.Kim,A.Hsu,X.Jia,S.M.Kim,Y.Shi,M.Hofmann,D.Nezich,J.F.Rodriguez-Nieva,M.Dresselhaus,T.Palacios,and J.Kong,Synthesis of monolayer hexagonal boron nitride on Cu foil using chemical vapor deposition.Nano Lett 12,161(2012))。其后，在通过转移的技术，将合成的h-BN应用到其他衬底或者其他材料上，实现其表征或者应用。工艺上比较复杂，而且容易在转移过程中引入杂质污染，且对于形状和性能很难灵活控制。

由于日趋成熟的Si半导体技术及其电子器件的广泛应用，使得Si基材料成为各种器件和应用的重要基础，例如太阳能电池、MOS管、单晶硅芯片、二极管等等。因此，如果可以直接在Si衬底上实现h-BN的外延生长，这将更有利于h-BN的性能测试，并极大拓展h-BN在电子器件领域的应用，并为开发新型的光电子器件提供重要的材料技术支持。

发明内容

本发明的目的旨在提供可有效缩减复杂的氮化硼专业工艺，提高h-BN的质量，并直接和Si基电子器件结合，从而获得高性能的新型光电子器件的一种直接在Si衬底上生长六方氮化硼二维薄膜的方法。

本发明包括以下步骤：

1)采用一端封闭的石英管，控制CVD气流温度条件在Cu箔上生长出二维h-BN薄膜；

2)将生长出二维h-BN薄膜的Cu箔与Si片同时放置，调控其距离，在Si(100)表面沉积均匀且尺寸小于1μm的Cu微晶粒阵列；

3)利用Cu微晶粒催化作用，在Si(100)上直接生长六方氮化硼(h-BN)二维薄膜。