[发明专利]一种基于厚度刻蚀的大面积超薄二维氮化物的生长方法

说明书

本发明公开了一种超薄二维氮化物薄膜的制备方法，包括：用氧气等离子体清洗机对衬底表面进行预处理，为氧原子的吸附提供了更多的活性位点，挤压液态金属后液态金属表面氧化膜与衬底之间的结合能力明显提高，而内层的氧化膜由于与衬底之间没有充分接触，氧化程度不够高导致其质量较差，因此在后续氮气等离子化学气相沉积的过程会把这层氧化膜刻蚀掉，获得超薄二维薄膜的同时也对氧化膜进行了氮化，得到了超薄二维氮化物薄膜。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种基于厚度刻蚀的大面积超薄二维氮化物的生长方法。

背景技术

氮化物材料作为新一代的半导体材料，在光电领域已经有非常广泛的应用。随着二维材料研究的兴起，人们对二维氮化物材料也产生了浓厚的兴趣，当氮化物达到单个原子层厚度时，其结构会变成类石墨烯的面内二维结构。二维的氮化物材料与母体材料相比具有深紫外区域的超宽带隙、低热导率、强机械应变能力等独特性质，拓宽了氮化物在深紫外、热电以及柔性器件领域的应用。但是由于母体材料的纤锌矿结构，氮化物层与层之间成键，自上而下的机械剥离获得少层二维材料的方法难以实现。另一方面由于缺乏合适的外延衬底等因素的影响，自下而上的外延方法得到的薄膜材料存在大量缺陷和位错，所获得的二维氮化物材料往往与衬底成键，无法独立出来，限制了其进一步的应用。因此大面积超薄二维氮化物材料的制备存在着大面积空白，亟待人们解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积超薄二维氮化物材料的制备方法。该制备方法简单快速，可以获得单个原子层厚度的氮化物材料。

本发明所提供的大面积超薄二维氮化物材料的制备方法，包括下述步骤：

1)在氧气等离子体的环境下对衬底进行预处理，为氧原子的吸附提供更多的活性位点；

2)将步骤1)预处理后的两片衬底置于加热台上，在其中一片衬底表面放置金属，待金属熔化后，再用另一片衬底覆盖并挤压液态金属，使两片衬底保持叠加状态静置，然后将两片衬底分开，去除表面的金属残留，在所述衬底表面得到金属氧化物薄膜；

3)将步骤2)得到表面具有金属氧化物薄膜衬底放入等离子体增强化学气相沉积系统，通入氮气等离子体，氧化膜在氮化的同时表面不稳定的区域被刻蚀，最后获得超薄二维氮化物薄膜。

所述方法具体包括下述操作：

使用两片氧等离子体预处理之后的衬底挤压金属液滴，在衬底表面留下金属氧化物薄膜，获得的氧化物薄膜放入氮气等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)氮化，获得氮化物的同时等离子体产生一定剥离刻蚀的作用，最终获得超薄的大面积二维氮化物薄膜。

上述方法步骤1)中，所述衬底可为硅片、带氧化硅层的硅片、石英片、氮化硅、蓝宝石片等。所述衬底的厚度可为0.05μm-2mm。

所述带氧化硅层的硅片中氧化硅片表面氧化硅层的厚度可为10nm-2000nm。

根据本发明的一个实施例，所述带氧化硅层的硅片，其厚度0.5mm，氧化硅层厚度为90nm；所述衬底的规格具体可为1cm*1cm。

所述衬底在使用前还需进行超声清洗，以带氧化硅层的硅片为例，清洗方法为：将所述带氧化硅层的硅片依次用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗5-10分钟(具体可为5分钟)。

上述方法步骤1)中，所述预处理在氧气等离子体清洗机中进行。条件为：控制通入氧气的气压为100-240Pa并清洗2-20分钟，具体如：控制通入氧气的气压为110Pa并清洗3分钟。

上述方法步骤2)中，所述金属可为熔点低于500摄氏度的低熔点金属(如铟、锡、镓)或合金(如镓铟合金、铟锡合金、铝镓合金)。所述低熔点金属或合金可为固态或液态。