第36卷第3期 曲靖师范学院学报 JOURNAL OF QUJING NORMAL UNIVERSITY V01.36 No.3 May.2017 2017年5月 常压化学气相沉积法制备二维六方氮化硼 茜,陈珊珊 (厦门大学摘物理科学与技术学院,福建厦门361005) 要:采用常压化学气相沉积(APCVD)法制备二维六方氮化硼的基本方法,系统探究衬底抛光 处理、衬底与前驱体间距、前驱体加热温度、生长温度等对六方氮化硼生长的影响,通过优化调控生长因 子,成功制备出高质量单层六方氮化硼薄膜. 关键词:常压化学气相沉积;六方氮化硼;二维材料;单原子层 中图分类号:0484.1 文献标识码:A 文章编号:1009—8879(2017)03—0023—07 探讨二维h-BN的可控制备技术 O 引 言 1 常压化学气相沉积法制备二维h-BN 六方氮化硼(h.BN),作为新兴的二维纳米 材料,呈现诸多优异、独特的物理化学特性,成为 近年来的研究热点.h—BN具有与石墨烯相似的 实验采用常压化学气相沉积法(APCVD)制 备h—BN样品,图1a给出了APCVD生长系统示 六边形蜂窝状结构,一5.9eV的宽带隙,高导热 性,化学稳定性,以及独特的电、磁和光学特 性 .此外,h-BN具有原子级平整面结构,没 有悬挂键,可以避免表面电荷的积累,是构筑高 意图,其中 与 分别为前驱物加热温度与样 品生长温度,生长阶段用外置加热带调制 温 度, 为管式炉中心恒温区温度.实验采用铜箔 (厚度25 m,纯度为99.8%,Alfa Aesar)作为催 化衬底,实验前先将铜箔进行电化学抛光处 理 13,15]后折成如图1b所示的铜盒子放入管式炉 恒温区.盛有前驱物氨硼烷的小石英舟放置于石 性能石墨烯、二硫化钼等二维材料器件非常理想 的介电层l3 J.然而受限于目前的制备技术, h-BN薄膜的大面积、高质量可控制备仍是一个巨 大的挑战.h-BN的制备包含化学气相沉积法 (CVD) 、超高真空化学气相沉积法 (UHVCVD) 、机械剥离法、离子束溅射生长 法 ]、磁控溅射沉积法_l。。等多种方法,其中CVD 法可制备出厚度和晶体尺寸可控的高质量二维 英管进气端,管壁外包裹一圈铝箔再用加热带缠 绕使前驱体受热分解更均匀.如图1c所示,典型 的APCVD制备h-BN的流程包括,首先在石英管 内通人8sccm氢气和200sccm氩气,开启管式 炉,待其升温加热至生长温度后,退火20min,进 一h-BN薄膜,应用较为普遍.目前,常用CVD生长 二维h-BN薄膜的衬底包含铂 ,“]、铜 、 铁¨ 、镍 等,其中以铜箔应用最为广泛,且成 本低适合规模化生产.本文采用常压CVD方法 制备单层h-BN,通过调控衬底处理方式、衬底与 前驱物间距、前驱物加热温度、生长温度等条件, 步清除附着在铜箔表面的有机物或氧化物,使 铜箔表面重结晶有利于后续h-BN的生长.退火 完成后维持加恒温区温度不变,将前驱物氨硼烷 加热至特定温度并维持一段时间.待样品生长完 成后快速移除加热带,关闭管式炉电源,将氢气 流量降为0sccm,降温至室温,取出样品. 收稿日期:2017—03—10 基金项目:福建省自然科学基金科技项目“大面积石墨烯/六方氮化硼异质薄膜的制备及器件研究” (2015J06016). 作者简介:姚茜,厦门大学物理科学与技术学院研究生,主要从事二维纳米材料制备研究. 23・ 通讯作者:陈珊珊,厦门大学物理科学与技术学院教授,主要从事低维纳米材料制备与物性研究. .第3期 曲靖师范学院学报 第36卷 氢气 氩气 (b) 一 。一 囊 O lO 2O 30 40 50 60 70 时间(分钟) (C) 图I (a)APCVD生长系统示意图,其中 为加热带温度, 为恒温区中心温度; (b)抛光后的铜箔包裹成铜盒子;(c)APCVD生长h-BN的基本实验流程 未抛光的铜 抛光铜 2 生长因子对二维h—BN制备的影响及 讨论 2.1衬底的抛光处理 为了探究铜催化衬底表面粗糙度对h—BN常 压生长的影响,实验中选取同一块铜箔裁成两 片,一片用浓度为0.03g/mL的过硫酸铵溶液处 理5分钟,去除铜表面的钝化层;另一片做电化 学抛光处理,处理后的抛光铜箔表面光滑并且具 有光亮的金属光泽(图2a).随后进行常规 APCVD生长h—BN,称取1.5mg前驱物,生长温 度与前驱物加热温度分别设置为1020℃和 75℃,保持生长时间一致,生长完成后应用扫描 电子显微镜(SEM)观察铜盒子内表面样品表面 形貌.从图2b可以看出,未抛光的铜衬底上h— BN成核密集,晶粒尺寸小(几十~百nm),形状 不规则,许多区域出现拉长的细长条状.而在图 (b) 2c中,抛光铜表面生长的h—BN成核密度显著降 低 ,晶粒尺寸在2/,zm左右,形貌多为规则的 三角形.由此可见,通过对铜箔衬底进行电化学 抛光处理,可显著降低h—BN的成核密度,并且获 得形状规则的大尺寸h—BN晶粒. .(c) 图2铜箔衬底抛光处理对h-BN生长的影响.f a)未抛 光与抛光的铜箔;(b—t-)未抛光铜(b)和抛光铜(C)衬底 上生长h-BN的SEM图像. 24. 姚茜,陈珊珊:常压化学气相沉积法制备二维六方氮化硼 2.2衬底与前驱物间距 向,Al至A3处h-BN的成核密度和覆盖度均逐 渐降低.如图3d所示,统计获得不同衬底位置处 h.BN晶粒的生长速率随衬底距前驱物的距离增 加而迅速减小,成核密度亦逐渐下降.这与常压 生长的特性有关,由前驱物氨硼烷分解产生的气 态环硼氮烷随着载气由右至左逐渐进入样品生 在APCVD制备h—BN过程中,实验观察到同 一片铜箔衬底不同位置处h.BN的生长结果并不 完全相同.如图1a所示,在铜盒子衬底的内表面 分别取A1,A2,A3三个位置进行SEM表征观 测,这三个点与前驱物的距离依次是25,26和 27cm.如图3a,在铜箔的A1位置处,h-BN的成 核密度高,许多晶粒开始结合并逐渐成膜.在铜 箔的A2位置处,h—BN的成核密度降低,且h-BN 呈现规则正三角形形状,有些晶粒边长超过5 m 长区 ’ ,衬底距前驱物越近的位置,环硼氮 烷的浓度越高 .环硼氮烷的浓度直接影响h. BN的初始成核,并为h-BN晶粒快速生长提供必 需的反应物.然而高成核密度会引入小的晶粒尺 寸和更多的晶界缺陷,可见铜箔中心A2位置处 (图3b).在铜箔的A3位置处,h-BN晶粒在铜箔 表面稀疏散布,成核密度进一步降低,形状呈不 规则的六边形或圆形(图3c).综上,沿着气流方 具有适中的h—BN成核密度和生长速率,并可制 备出具有规则形貌的h.BN晶粒. (b) ×l05 O.8 = o.4= — 0黾 8 一 衬底与前驱物间距(cm) (c) (d) 图3衬底与前驱物间距对h-BN生长的影响.(a—c)铜箔上A1(a),A2(b)和A3(c) 三个区域对应的h-BN的SEM图像;(d)h-BN晶粒生长速率和成核密度对衬底与前驱物间距的依赖关系 2.3前驱物加热温度 前驱物氨硼烷开始缓慢分解,形成少量气态环硼 前驱物氨硼烷的加热温度 .直接控制氨硼 烷的分解速率 .为了研究71.对h—BN生长的 影响,实验将生长阶段外置加热带温度71 分别 氮烷进入生长区,在催化衬底表面零星合成几个 不足1 m的小三角形h.BN晶粒(图4a).如图 4b—e所示,随着前驱物温度的增加,氨硼烷分 设为55℃,65℃,75℃,85℃,90℃和95qC,保持 其他生长参数均相同,即称取2mg氨硼烷, 统 一解速率逐渐增大,环硼氮烷源源不断地进入反应 区,在铜箔衬底表面脱氢、成核、生长.观察到h. BN的成核密度随着 .升高而不断提高,同样的 生长时间h—BN晶粒尺寸则呈现先增大后减小的 设置为1020℃,生长时间均为10min,分别进 行APCVD生长,待生长完成后依次取样品A2 区域进行SEM表征对比. 当 为55℃时,未达到氨硼烷热分解的温 度,衬底上并无h-BN晶粒形成.当 为65qC时, 趋势.统计分析h—BN的成核密度随着7’.升高而 逐渐提高,在 超过90 ̄C后有一个明显的增大. 这主要是由于温度升高,越接近氨硼烷的熔点 ・25・ 第3 曲靖师范学院学报 第36巷 (104 ),氨硼烷分解速率越快,极短时间内大 量的环硼氮烷一同随载气进入样品生长区,在铜 箔衬底上快速密集成核,生长出形状不规则的微 小尺寸h-BN晶粒.f}{此可见,随着前驱物加热温 再减小的趋势( 4f).从实验结果分析,前驱物 的加热温度 .为85%时,氨硼烷的分解速率较 快,h-BN晶粒的形状规则,生长速率最快,且成 核密度适中,可以快速合成大晶粒、高质量 h—BN. 度的升高,h—BN的成核密度逐渐提高,且在90Cc 后急剧增加,对应的品粒生长速率则旱现先增加 ~7 . ・ ◆・ .. ・ ,==● ・皇.I, _ r2 ・l ・・ 一0. 兰 = {O. 主 、 . 前驱物加热温度(。C) 图4前驱物加热温度 对于I BN生长的影响.(a—e)不同7 .对应生长h-BN的SEM图像 (f.)h-BN晶粒生长速率、成核密度对71.的依赖关系 2.4衬底生长温度 得陔温度下生长速率和成核密度都达到最高(图 接父系到环硼氮烷在铜 5t1).从实验结果分析(罔5e—f),随着生长温度 讨底生长温度 箔衬底表面的脱氢分解反应,影响h-BN的成核 生K.为了进一步研究生长温度对h.BN生长的 的升高,在铜箔催化衬底上h.BN晶粒的生长速 率和成核密度均旱现上升趋势.生长温度为 1050oC时,铜箔催化衬底的活性够高,环硼氮烷 的分解速率够快,h.BN品粒的生长速率最快,可 以快速合成大品粒h—BN. 2.5高质量单层h-BN薄膜制备 综合考虑上述实验因子对h—BN生长的影 影响,实验将生长温度 依次设置为980 ̄C, 1000℃,l020℃和1050 ,保持其他生K参数一 致,即称取2mg氯伽】烷. 统一设置为85 o【=,生 K时问为10rain,分别进行常规生K,待生长完 成后,依然取铜箔『f1心IK域A2分别进行SEM 表征. 响,进一步制备满 层h—BN薄膜时,选择对cu 衬底进行电化学抛)l(=处理,前驱物加热温度和生 长温度分别设置为85 和1050oC的生长条件, 适 控制生长时间,即可在铜箔表面获得均匀的 满 层h-BN薄膜. 奠¨ 5a所示, 【,7 为980 ̄C时,铜衬底的催 化活性较弱,仅看到少数tl-BN晶粒成核.随着生 长温度的升高,铜衬底的催化活性逐渐增强,环 硼氮烷分解效率也迅速提高. 为1O00 ̄C时, _1『观察到h.BN在锏表晰q三长并形成尺寸约为 进一步对所制备的满单层h-BN薄膜进行结 构性质分析.通过SEM观测到铜箔表面完整覆 盖均匀h-BN薄膜( 6a),反应所制备的薄膜厚 度…致.为了进一步表 所制备的h—BN薄膜质 量,将样品转移到具有90nm厚度二氧化硅层的 2Ixm的规则 角形l 粒(图5b).T,升至l020℃ 时,幸寸底的催化活性提升,环硼氮烷的分解速率 增-』J【】,11-BN 长速率提高,生长出4~5 m的 h—BN晶粒(图5(・). 、 {7 ,为1050 ̄时,衬底催 化活性极强,高温下环硼氮烷分解更彻底彤成大 量XJt?,性粒子在衬底表面成核、生长‘、 。J,同 1硅片J二.从光学冈像 看到h-BN薄膜衬度均匀, 表明所制备的薄膜厚度均匀(罔6b). 6c给出 h—BN薄膜Raman谱峰位于1 37 1 cm.信号强度 样生长H,fl司制备出J 寸~8 ̄,Lnl的h—BN品粒,使 ・26・ ‘● ◆ - l . ・’. ~.。i : ’.. ● ● 一 1Opln^’ (a) 0.O3 ’i 0 呈0 辱O 剥0 (_0.O2 = 、 善0.01 堡0 980 1000 1020 1040 1060 警 生长温度(℃) 980 1000 1020 1040 1060 生长温度(℃) ((1) (e) (f) 图5 衬底生长温度 对于h-BN生长的影响.(a—tt)不同7"2对应h-BN生长的SEM图像 ,◆- , (r—f)h-BN晶粒生长速率( )和成核密度(1厂)对T2的依赖关系 , 高,符合 层h BN的拉曼特征,也表明所制备的 ●■ ≯●l Bl s与N1 s的能级峰位分刖位于190.24eV和 h—BN样品质 较高 .进一步利J{3原子力 微镜(AFM)确认h-BN样 nl 度仅为0.43n[TI,符 合单原子层h-BN特 ( 6d).此外,X射线光 电子能谱川于标定所制备l 一BN的成分,获得 .,▲ 397.88eV,化学计量分析得到元素B、N比值为 1:1.02.实验结果与文献结果卡H符 ,也进 步验证所制备的h-BN薄膜元素组成和成键. 、、1avenumber(cm—l1 (a) (【・) i 卑 譬 尝 Bl ̄dlng energy(eV) BIItdllf,g energy【.V) (e) (f) 图6满单层h-BN性质表征.(a)铜箔表面单层tl-BN的SEM图像;(b)转移到硅片上单层h-BN的光学图像;【t‘)单层 l1一BN的Ra 。n光谱图;(【1)单层h-BN的A}、M图像及其厚度表征;(e—f)单层h-BN薄膜XI’s能谱中B1 s( )和N1 s(f) 的能级峰 ・27・ 第3期 曲靖师范学院学报 第36卷 [9]WANG H,ZHANG X,MENG J,et a1.Controlled 3 结论 Growth of Few—Layer Hexagonal Boron Nitride on Copper Foils Using Ion Beam Sputtering Deposition 实验采用APCVD法,系统研究了衬底处理、 衬底与前驱体间距、前驱体加热温度、生长温度 [J].Small,2015,11(13):1542—1547. [10]SUTTER P,LAHIRI J,ZAHL P,et a1.Scalable Synthesis of Uniform Few—Layer Hexagonal Boron 等生长因子对h-BN可控制备的独立影响.进一 步通过SEM、AFM、XPS、Raman光谱等对所制备 h-BN表征确认材料的均匀性和高品质.实验结 果表明,通过优化生长条件,可以调控h—BN的成 Nitride Dielectirc Films[J].Nano Letters,2013,13 (1):276—281. [11]YANG G,WENCAI R,TENG M,et a1.Repeated 核密度与生长速率.在实现较高成核密度的同 时,提高晶粒的生长速率,最终实现高质量h-BN 薄膜的高效制备. 参考文献: [1]LIPP A,SCHWETZ K A,HONOLD K.Hexagonal Bo— ron Nitride:Fabrication,Properties and Applications [J].Journal of the European Ceramic Society,1989, 5:3—9. [2]KIM K K,KIM S M,LEE Y H.A New Horizon for Hexagonal Boron Nitride Film[J].Journal of the Ko— rean Physical Society,2014,64(10):1605—1616. [3]BRITNELL L,GORBACHEV R V,JAuL R,et a1. Field—Effect Tunneling Transistor Based on Vertical Grapheme Heteorstructures[J].Science,2012,335 (6071):947—950. [4]DEAN C R,YOUNG A F,MERIC I,et a1.Boron Ni- tlide Substrates ofr Hi【gh—Quality Graphene Electornics [J].Nature Nanotechnology,2010,5(10):722 —726. 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Key words:atmospheric pressure chemical vapor deposition;hexagonal boron nitirde;two—dimensional materials;atomic layer [责任编辑:崔萍] ・29・