[发明专利]制备大面积单一取向六方氮化硼二维原子晶体的方法

说明书

一种制备大面积单一取向六方氮化硼二维原子晶体的方法，其包括如下步骤：在氧化镁MgO(111)单晶衬底上外延一预定厚度的过渡金属单晶薄膜，形成样品；将样品置于离子束溅射沉积系统的腔室内，抽真空，然后在氢气气氛中升温并原位退火；关闭氢气，使离子束溅射沉积系统内的腔室恢复至真空环境，然后向腔室内通入氩气；利用离子源轰击置于离子束溅射沉积系统腔室内的高纯氮化硼靶材，使得溅射的硼、氮原子在样品表面沉积，生长形成六方氮化硼二维原子晶体；降温，最终得到单一取向的六方氮化硼单晶畴。本发明可以制备出单一取向的h‑BN晶畴，具有制备工艺简单，可控性好，成本低，且副产物无毒无害，有助于实现制备大尺寸、高质量h‑BN薄膜。

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，尤其涉及一种制备大面积单一取向六方氮化硼二维原子晶体的方法。

背景技术

以石墨烯、六方氮化硼(h-BN)、MoS₂为代表的二维原子晶体材料具有独特的结构，优异的物理化学性质和诸多潜在应用，近年来备受关注。其中，h-BN是石墨的等电子体，具有与石墨类似的层状结构。将石墨烯二维原子晶体中两套不等价的碳原子分别替换为硼和氮原子，即得到h-BN二维原子晶体。宽禁带的半导体h-BN，具有诸多优异性质，如优良的电绝缘性、极高的面内弹性模量、高的热导率、极好的化学稳定性和介电性能等，因而成为石墨烯及其它二维原子晶体理想的衬底和栅介质材料，在光电功能器件领域具有潜在的应用前景。

高质量的h-BN二维原子晶体是其基本性质研究和器件应用的前提与基础。通常，应用于电子器件的h-BN二维原子晶体，较小尺寸的晶畴将导致存在大量晶界，从而严重影响薄膜质量和器件性能，因此制备大尺寸h-BN单晶具有非常重要的意义。

与石墨烯类似，大尺寸h-BN二维原子晶体的制备主要有两种思路，一是通过优化实验参数或衬底表面处理减少h-BN晶畴成核密度，使单个晶畴尽可能长大，从而提高二维原子晶体尺寸。通过这一途径，目前h-BN二维原子晶体的尺寸已从几微米提高到上百微米，但仍不能满足未来大规模电子学应用的需求。此外，减小成核密度通常也导致较低的生长速率，成核密度的进一步持续减小也将越发困难，通过这一途径获得更大尺寸h-BN单晶存在很大挑战。另一种获得大尺寸二维单晶薄膜的策略是通过制备取向一致的单晶畴，然后将取向一致的晶畴无缝融合最终形成大尺寸单晶薄膜。基于此，多个研究小组已经制备出大面积石墨烯单晶，充分体现了这一方案对于获得大面积二维单晶薄膜是十分有效、可行的，但是h-BN的相关研究尚未见报道。如何在整个衬底表面实现单一取向h-BN单晶畴的生长，是基于方案制备h-BN单晶薄膜的关键。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备大面积机单一取向h-BN二维原子晶体的方法，具有制备工艺简单，可控性好，成本低，且副产物无毒无害，有助于实现大尺寸、高质量h-BN薄膜的实际应用及工业化生产。同时本发明可以制备出单一取向的h-BN晶畴，为进一步生长晶圆尺寸h-BN单晶层提供了方向，也为最终实现h-BN及石墨烯的大面积电子学应用奠定了良好的基础。

本发明提出一种制备大面积单一取向六方氮化硼二维原子晶体的方法，其包括如下步骤：

步骤1、在氧化镁MgO(111)单晶衬底上外延一预定厚度的过渡金属单晶薄膜，形成样品；

步骤2、将样品置于离子束溅射沉积系统的腔室内，抽真空，然后在氢气气氛中升温并原位退火；

步骤3、关闭氢气，使离子束溅射沉积系统内的腔室恢复至真空环境，然后向腔室内通入氩气；

步骤4、利用离子源轰击置于离子束溅射沉积系统腔室内的高纯氮化硼靶材，使得溅射的硼、氮原子在样品表面沉积，生长形成六方氮化硼二维原子晶体；

步骤5、降温，最终得到单一取向的六方氮化硼单晶畴。

从上述技术方案可以看出，本发明制备大面积单一取向h-BN二维原子晶体的方法具有以下有益效果：