[发明专利]一种原位实现六方氮化硼均匀氟掺杂的方法

说明书

本发明提供了一种原位实现六方氮化硼均匀氟掺杂的方法，涉及六方氮化硼的制备以及对其进行元素掺杂的方法。本方法采用含氟化合物作为前驱体，在其下游位置放置金属箔片作为生长基底，然后利用化学气相沉积法，快速获得均匀氟掺杂的六方氮化硼。本发明提出的方法，通过简单、快速、无损的手段，原位实现了高质量、均匀氟掺杂的六方氮化硼样品。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种原位实现六方氮化硼均匀氟掺杂的方法。

背景技术

近年来以石墨烯为代表的二维材料备受研究关注，而二维六方氮化硼是一种与石墨烯结构类似的二元化合物，由于其具有独特的物理性质同样引起广泛的研究兴趣。六方氮化硼具有优异的机械稳定性与热稳定性、平整无悬键的表面，是已知最好的二维绝缘体，二维六方氮化硼也具有较宽的带隙，可以从点缺陷发射单光子，并具有较高的室温质子电导率，这些性质使其在以二维绝缘体材料为基础设计的器件中被广泛应用。而想要进一步拓宽六方氮化硼在器件领域的应用则需要依赖于界面能带调控设计，已有研究表明，六方氮化硼在经过功能化处理后可以从绝缘材料转变为宽带半导体材料，并表现出室温铁磁效应。因此，通过对六方氮化硼进行元素掺杂实现界面修饰来调控其带隙结构与电导率等物理性质可以解决二维材料的全面应用中的核心困难，有利于实现基于全二维材料的电子器件的构建，推动未来电子学的发展。

在可用于掺杂引入的元素中，氟元素是一种极其活泼，电负性极高的元素，当含氟物质与其他分子接触时，很容易发生氢取代反应，从而使其他分子氟化。在氮化硼发生氟化之后其能带结构将发生改变并表现出部分半导体性质，为后续的器件设计以及应用提供了便利。目前已有的掺氟方法中，常需要强酸性溶液如全氟磺酸或气体如氟化氙的辅助，这些方法可以在氮化硼材料中形成稳定的成键结构，但存在着无法实现大面积单晶二维材料的制备，并且材料本身质量也得不到保证等问题。因此，一种稳定、温和、能够实现氮化硼均匀掺氟的方法亟待提出。

发明内容

本发明首次提出一种原位实现六方氮化硼均匀氟掺杂的方法。

一种原位实现六方氮化硼均匀氟掺杂的方法，将金属箔片与含氟前驱体置于化学气相沉积设备中，并在金属箔片上生长出高质量的均匀氟掺杂的六方氮化硼；所述化学气相沉积设备包括管式装置，所述管式装置包括沿气体流动方向依次设置的上游区域、中游区域和下游区域；所述方法包括如下步骤：

(一)、将含氟前驱体置于中游区域，金属箔片置于下游区域，而硼氮源置于上游区域，通入惰性气体，然后对中游区域和下游区域开始升温；

(二)在中游区域温度升至650～1100℃且下游区域温度升至900～1100℃时，通入H₂气体，进行退火过程；

(三)、退火结束后，加热位于上游区域的硼氮源，在常压或低压环境下进行生长；

(四)、生长结束后，在常压环境下冷却至室温，即得到均匀掺入氟元素的六方氮化硼。

优选的是，所述金属箔片不进行任何表面处理，即，将从公开商业途径获得的金属箔片直接用于本方法中而不需要做任何表面预处理。

优选的是，所述方法包括如下步骤：

(一)、将所述金属箔片与含氟前驱体置于石英板上，放入化学气相沉积设备的石英管中，将硼氮源置于石英管前端马弗炉加热的区域以外并在其周围缠绕加热带，通入惰性气体，然后开始升温；

(二)、含氟前驱体区域温度升至650～1100℃，金属箔片区域温度升至900～1100℃时，通入H₂气体，H₂流量为2～50sccm，进行退火过程；

(三)、退火结束后，开始通过加热带加热石英管前端的硼氮源，在常压或低压环境下进行生长，生长时间为1s～60min；

(四)、生长结束后，在常压环境下冷却至室温，即得到均匀掺入了氟元素的六方氮化硼。