[发明专利]一种大尺寸六方氮化硼单晶的制备方法

说明书

一种大尺寸六方氮化硼单晶的制备方法，属于单晶材料制备技术领域。所述制备方法具体过程如下：在氮气流中，将钴铬合金放在六方氮化硼粉末上，先高温加热使钴铬合金熔融，保持一段时间，令六方氮化硼粉末充分溶于钴铬合金中，达到饱和后，以极低速度降温，晶体会在金属合金表面析出，从而生长出大面积高质量的六方氮化硼单晶。目前研究二维材料六方氮化硼的主要问题就是晶体生长困难，难度大，而该方法结构简单，原理清晰，效果显著，对于六方氮化硼的广泛应用具有很大意义，同时对其他半导体材料或二维材料的研究与发展也有一定的启发。

技术领域

本发明属于单晶材料制备技术领域，具体涉及一种大尺寸六方氮化硼单晶的制备方法。

背景技术

随着2004年曼切斯特大学小组成功分离出单原子层的石墨材料—石墨烯，二维半导体材料的研究就成了近年来的研究热点。近年来，对石墨烯领域研究的不断深入，激发了人们对二维半导体材料的研究热情。二维半导体材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，也可以理解为电子在平面运动的材料。六方氮化硼晶体作为二维材料的一种，具有和石墨烯相似的结构，都是六边形层状结构，并且二维氮化硼晶体和石墨烯的晶格参数也十分相似，但不同的是六方氮化硼具有更大的带隙，其带隙约为5.9 eV。同时六方氮化硼具有非常优异的介电性质，其良好的绝缘性在半导体器件中具有不可替代的作用。因此六方氮化硼被认为是作为二维半导体材料绝缘衬底的绝佳选择，在微电子器件和集成电路领域有着非常大的发展前景。

但是存在的问题是利用六方氮化硼制造电子器件的技术还不成熟，主要原因是六方氮化硼单晶生长条件苛刻，制备成本高，产量低，质量不够高，满足不了器件需求，因此长期以来大尺寸，高质量的六方氮化硼单晶很难生长制备，限制了六方氮化硼的应用，寻找一个六方氮化硼晶体材料合适的生长方法也成为了六方氮化硼应用的难点。

氮化硼单晶的制备目前主要有两个途径：第一种主要是在催化剂金属衬底表面制备原子级别厚度的大面积BN薄膜，所用的原料主要是含硼、氮元素的易挥发前驱体。比如目前比较多的是使用具有催化功能的几种过渡金属（比如镍、铁）或者贵金属（比如金、铂），并使用氨硼烷等有机前驱体作为原料。这种方法可以制备较大面积的薄膜，最大的可能达到厘米级别，但是其厚度只限于原子尺度，一般不超过10纳米，而且生长过程使用易燃易爆气体。氨硼烷等有机前驱体原料性质极不稳定，价格昂贵。另外，该途径获得的氮化硼通常含有一定的缺陷，质量不是最好。非常薄的晶体材料使用起来也不方便，限制了其用途；第二种主要是针对大面积，大厚度的高质量氮化硼单晶的生长，其目的在于获得高纯度、高质量，使用方便的单晶材料。该途径在早期主要是利用高温高压条件进行制备，典型的是日本的Taniguchi Takashi实验组于2004年利用高温高压条件，以Ba₃B₂N₄为溶剂，成功生长出了高质量高纯度的六方氮化硼单晶，尺寸首次达到毫米量级，厚度为数十微米。由于高温高压的苛刻制备条件，该实验组近几十年一直探索使用常压下的大块BN单晶的制备，先后尝试过许多熔体体系，但是一直不甚成功。在持续的尝试和经验积累下，该课题组终于在2007年在常压条件下，以六方氮化硼粉末为原料，以镍钼合金为溶剂，使用高温熔体析出法生长出了更高纯度的高质量六方氮化硼单晶，单晶大小达到毫米级别，厚度达到数十微米。进一步的，考虑到铬元素对氮元素的优良溶解度，2008年，该研究组采用镍铬合金作为溶剂，同样在常压和较低温度下生长出了更大尺寸的六方氮化硼单晶。随后，美国James H. Edgar实验组于2012年也采用镍铬合金作为溶剂，生长出了较大尺寸的六方氮化硼单晶，单晶尺寸达到7毫米，厚度60微米左右；2018年该课题组考虑到铁-硼良好的亲和性，使用铁铬合金作为金属溶剂，也生长出六方氮化硼单晶。