大尺寸六方氮化硼二維晶體的CVD生長及機(jī)制研究.pdf

1、二維材料（2D）具有單原子層級的厚度及穩(wěn)定的物化性能。通過將不同的2D材料以平面或者垂直堆疊的形式組合成不同的異質(zhì)材料，可以得到不同于單一材料所具有的性能，2D材料的這些特點決定了其成為最近科學(xué)界的研究熱點。六方氮化硼（h-BN）是與石墨烯結(jié)構(gòu)類似的二維絕緣體材料，它作為介電層在提高場效應(yīng)晶體管器件的遷移率方面擁有廣泛的應(yīng)用前景。然而如何可控制備大面積、高質(zhì)量的h-BN依舊是目前研究中所面臨的首要問題?；诖?，利用化學(xué)氣相沉積（CVD）

2、的方法，研究了如何可控制備大面積、高質(zhì)量的h-BN，并取得了一系列進(jìn)展。
　　研究了在低壓CVD體系中，成核密度、反應(yīng)時間、反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度等參數(shù)對h-BN生長的影響；優(yōu)化參數(shù)，制備出了單晶尺寸達(dá)到20μm且厚度均一的大面積h-BN薄膜。該薄膜具有較高的熱穩(wěn)定性（在950℃空氣中依舊可以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性）。利用它的熱定穩(wěn)定性，在空氣中對銅箔氧化處理，可以清晰的觀察到三角形形狀的單片h-BN。進(jìn)一步研究表明表面干凈的h-BN作為介

3、電層時，使石墨烯場效應(yīng)晶體管器件的遷移率提高了6倍，這說明二者界面的干凈程度對器件的電學(xué)性能有著決定性的影響。在本研究中，提出了一種簡單、有效的實驗方法來制備大尺寸的h-BN單晶，同時發(fā)現(xiàn)了介電層表面的干凈程度對石墨烯的電學(xué)性能有重要的影響。
　　通過對材料制備過程中系統(tǒng)壓力、生長溫度、氣氛比例等參數(shù)調(diào)節(jié)，從原料分子擴(kuò)散動力學(xué)的角度研究了h-BN的演化規(guī)律，并研究了其形成機(jī)制。發(fā)現(xiàn)單片三角形h-BN的形貌隨著原料濃度的變化，其邊緣

4、形貌可以發(fā)生從內(nèi)凹到外凸的變化；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在h-BN刻蝕過程中，通過調(diào)節(jié)刻蝕氣氛，其刻蝕機(jī)理可以發(fā)生從各向異性刻蝕到分形刻蝕的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致了其刻蝕圖案從三角形圖案到枝晶狀圖案的轉(zhuǎn)變。該研究結(jié)果為其他二維材料圖案化的可控制備提供了一定的參考基礎(chǔ)。
　　以液態(tài)銅為生長基底，增加基底表面平整度，消除基底表面晶界，來制備大尺寸h-BN單晶。同時在生長體系中加入定量的水，可以有效的降低成核密度，達(dá)到快速制備大尺寸h-BN單晶的目的。該方法

5、中液態(tài)銅的表面更加平整進(jìn)而消除了表面晶界，使得原料分子在基底表面的擴(kuò)散速度增加，從而使得h-BN的生長速度達(dá)到了12μm/min。同時使得h-BN單片尺寸大小提高了5倍，達(dá)到330μm的。進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)原料濃度的變化，從而調(diào)節(jié)單片h-BN的形貌發(fā)生從三角形到六邊形最終到圓形的形貌轉(zhuǎn)變。h-BN在液態(tài)銅表面的刻蝕過程遵循各向性刻蝕的原理。該研究為其它二維材料在快速制備大尺寸單晶方面提供了一種可行的實驗方案。
　　為了達(dá)到低溫條件下制

6、備高質(zhì)量h-BN的目的，利用等離子體輔助的方法研究了在低溫條件下如何制備高質(zhì)量h-BN單晶及薄膜。實驗中通過優(yōu)化生長溫度、等離子體強(qiáng)度、銅箔基底與等離子體間距離等參數(shù)，在相對較低溫度500℃下制備得到了h-BN。h-BN的成核密度、單片尺寸均可以有效調(diào)控，同時生長速率提高了1.5倍。當(dāng)?shù)蜏貤l件下制備得到的h-BN在石墨烯場效應(yīng)晶體管中作介電層時，測得的石墨烯最高空穴與電子遷移率分別為10,500cm2V-1s-1與4,750 cm2V-