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多層六方氮化硼的生長機(jī)制

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2021-03-03 13:01:49 | 瀏覽量:944202

摘要:

作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表材料之一, 六方氮化硼(h-BN)以其寬帶隙、高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能、低介電常數(shù)和化學(xué)惰性等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是保護(hù)二維晶體材料本征特性的最佳材料。目前,晶圓級單晶h-BN單層的可控制備已經(jīng)取得突破性進(jìn)展,但單原子層厚度的h-BN還不足以…

作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表材料之一, 六方氮化硼(h-BN)以其寬帶隙、高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能、低介電常數(shù)和化學(xué)惰性等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是保護(hù)二維晶體材料本征特性的最佳材料。目前,晶圓級單晶h-BN單層的可控制備已經(jīng)取得突破性進(jìn)展,但單原子層厚度的h-BN還不足以滿足很多實(shí)際應(yīng)用的需求。大面積、高質(zhì)量(或單晶)多層h-BN 的可控制備是實(shí)現(xiàn)其在二維晶體器件的規(guī)?;瘧?yīng)用中需要克服的瓶頸問題?,F(xiàn)階段,可控制備晶圓級單晶h-BN多層面臨的挑戰(zhàn)在于:已有的過渡金屬催化劑表面普遍存在“自限制”生長的現(xiàn)象,因而利用化學(xué)氣相沉積法制備的h-BN薄膜厚度有限且不均勻。

最近,實(shí)驗(yàn)上利用N2在Fe-B合金襯底上實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、大面積、厚度均勻可控的h-BN連續(xù)薄膜的CVD 制備[ Nature Communications11, 849 (2020)]。然而,我們對于多層h-BN在Fe-B合金表面的生長機(jī)制還知之甚少,缺乏一個有效的理論框架來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

近日,實(shí)驗(yàn)室袁清紅研究員與中科院微系統(tǒng)信息與技術(shù)研究所的吳天如研究員合作,揭示了利用N2作為氮源,F(xiàn)e2B作為硼源和催化劑襯底形成多層h-BN的生長機(jī)制。如圖1a所示,多層h-BN的生長涉及N2分子在Fe2B表面的吸附和解離,單層h-BN的成核和生長,以及多層h-BN的形成。結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征,我們發(fā)現(xiàn)多層h-BN生長的關(guān)鍵機(jī)制是第一層h-BN的形成導(dǎo)致Fe2B內(nèi)部產(chǎn)生大量的B空缺,這些B空穴的形成促進(jìn)了Fe2B塊體內(nèi)的B原子向表面的遷移以及N原子在Fe2B塊體內(nèi)的溶解,從而引發(fā)了多層h-BN的生長。(圖1b-c)

我們所揭示的多層h-BN的生長機(jī)制有望為將來實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步控制多層h-BN的質(zhì)量和層數(shù)提供思路。該研究工作發(fā)表在Journal of Physical Chemistry Letters 11, 8511 (2020),實(shí)驗(yàn)室碩士研究生姜忍為該工作的第一作者。

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