六方氮化硼可為二氧化釩在未來電子業(yè)中開辟新的可能性

      2月27日，日本科學家在NATURE上發(fā)表一篇題為”Growthof vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes astransferrablesubstrates”（二氧化釩薄膜在六方氮化硼薄片上生長可實現可轉移襯底）的科研成果，證明六方氮化硼（hBN）作為VO2的基底供其生長時，可使二氧化釩（VO2）薄膜得以轉移到金屬或柔性聚合物等其他襯底上。預計這種制造技術將能使得VO2器件的應用范圍得到進一步擴展。

      VO2薄膜

      VO2被譽為是未來電子業(yè)的革命性材料，它的一個關鍵特性就是它在室溫下是絕緣體，但在溫度高于68攝氏度后其原子結構會從室溫晶體結構轉變?yōu)榻饘俳Y構（導體）。這種被稱為金屬-絕緣體轉變（MIT）的獨特特性，使得它成為取代硅材料用于新一代低功耗電子設備的理想選擇。

      目前，VO2材料的光電器件應用主要以薄膜狀態(tài)為主，已被成功地應用于電致變色器件、光學開關、微電池、節(jié)能涂層和智能窗以及微測輻射熱裝置等多種領域。

      生長襯底種類

      物材料可被用作VO2生長的襯底，例如硅(Si)、鍺和氮化鎵，同樣能呈現合理的MIT特性。

      原則上，在剛性襯底上的器件的制造是基于其他組件與VO2自上而下的集成。然而，如果可以在薄的可轉移襯底上制備VO2薄膜，預期器件應用的范圍將進一步擴展，例如柔性器件。因此近年來，隨著二維（2D）層狀材料的研究進展，層狀材料作為VO2薄膜生長的可轉移襯底引起了人們的興趣。

      hBN 襯底

      hBN是一種由蜂窩狀晶格組成的層狀材料，其中氮和硼原子排列在不等價的三角形位置，由于其寬帶隙能量接近6eV，因此納米厚度下也具有電絕緣性。另外，超薄HBN的楊氏模量及斷裂強度，與金剛石相當，在500℃下也依舊對O2呈惰性，因此具有成為VO2生長襯底的潛力。

      右：由于hBN與基板之間僅有弱范德華力，預期VO2和hBN的堆疊可從原始基板轉移到任何材料和幾何形狀的目標基板上。

 

      根據論文，日本科學家是通過使用膠帶，將hBN薄片從塊狀單晶上機械剝離到285nm厚的二氧化硅層的Si襯底上——由于剝離的六方氮化硼薄片缺陷極少，因此具有原子級平坦的表面。接著科學家再用O2在500℃的環(huán)境壓力下對hBN薄片進行3.5小時處理來去除膠帶殘留物，最后通過脈沖激光沉積法使VO2薄膜生長到hBN上。

      上圖是VO2薄膜生長之后，在SiO2/ Si的上hBN薄片的典型光學圖像，從SiO2上剝離的hBN薄片的橫向尺寸范圍可達數百微米長。

      由于BN的晶體特性，它與VO2僅通過弱范德華力連接在Si襯底上，用機械剝離方法即可克服，因此hBN/VO2可以從Si上轉移到任意VO2薄膜不能直接生長的基底上?？茖W家們認為這次的成果將能為VO2薄膜在電子和光子學中的實際應用開辟新的可能性。