大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于六方氮化硼技术领域，具体涉及一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜及制备方法。
背景技术
自2010年Andre Geim和Kostya Novosolov获得诺贝尔物理学奖之后，石墨烯及其他二维材料迅速成为当前材料研究中的热点领域之一。在二维材料的众多潜在应用中，针对其超薄性，透明性及柔性的研究，已经处于研究的最前沿。由二维材料制备得到的低功耗晶体管，具有很高的载流子迁移率和开关比，并有希望突破摩尔定律的限制，因此，二维材料技术被认为是有望取代硅半导体的新一代半导体技术。然而，由于二维材料的原子尺度厚度无法支撑自身，所以需要使用其他材料作为支撑。目前所使用的块状支持衬底，会大幅降低其性能，例如，使用SiO2/Si作为Graphene的衬底，由于SiO2表面的悬空键和粗糙度，会导致电子散射，所以会大大降低其载流子迁移率。六方氮化硼具有原子级的平整度，没有悬挂键，良好的绝缘性能和柔性，可作为其他二维材料的衬底材料，例如可以作为石墨烯(Graphene)、黑磷(Black Phosphorus)、硒化铟 (InSe)及过渡金属硫属化物(TMDCs)等的衬底材料，并可大幅提升器件的电子传输性能及稳定性。具体地，若使用六方氮化硼作为Graphene的支撑衬底，可使 Graphene的载流子迁移率，至少比在SiO2/Si衬底上高一个数量级。因此，六方氮化硼作为一种优异的二维材料衬底材料，对二维材料在电子工业领域的应用和发展具有重要意义。
目前，六方氮化硼薄膜的合成主要有液相剥离法、机械剥离法和化学气相沉积法等。其中，液相剥离法和机械剥离法的可控性差，无法得到大尺寸、层数均一的六方氮化硼薄膜；化学气相沉积法(CVD)是制备高质量六方氮化硼薄膜的潜在方法之一，但与逐步成熟的石墨烯(Graphene)化学气相沉积工艺相比，对六方氮化硼的研究尚处于起步阶段，对其生长机理尚不清楚，众多可用于石墨烯薄膜及单晶的生长方法，无法应用于六方氮化硼的生长，所以六方氮化硼单晶及薄膜的合成仍然面临可控性差，尺寸小，缺陷密度高等问题。因此，如何制备大面积、高质量的六方氮化硼单晶及薄膜，仍是六方氮化硼面临的首要问题。
化学气相沉积法制备六方氮化硼薄膜，可分为常压化学气相沉积法 (APCVD)和低压化学气相沉积法(LPCVD)两种，LPCVD法在薄膜均一性和层数控制方面具有广泛优势，是目前制备六方氮化硼薄膜的主要方法。然而，在众多采用LPCVD法制备六方氮化硼的研究中，即使建立在生长衬底，复杂处理过程的基础上，仍然难以有效地降低六方氮化硼在衬底上的形核密度，如图1 所示。六方氮化硼在催化衬底上的高成核密度，使最终得到的六方氮化硼薄膜的晶界密度很高，均一性变差，如图2所示。高晶界密度、均一性差的六方氮化硼薄膜，不仅大大降低了其机械强度，而且使其介电性能大打折扣，从而进一步限制了六方氮化硼薄膜的应用。
发明内容
针对目前六方氮化硼制备方法中，高形核密度获得的单晶尺寸小导致晶界密度高、均一性差、机械强度低、介电性能差、无法获得大尺寸薄膜等问题，本发明提供一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法。
以及，由上述制备方法获得的大尺寸单层六方氮化硼薄膜。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：
步骤S01.将经过抛光平整处理的衬底置于支撑平面上，并使所述衬底与所述支撑平面形成0.5～2.0μm的间隙；
步骤S02.将放置有所述衬底的所述支撑平面置于低压化学气相沉积腔室内，在缓冲气体保护氛围下对所述衬底进行退火处理；
步骤S03.向所述低压化学气相沉积腔室中通入六方氮化硼前躯体，以低压化学气相沉积法使所述六方氮化硼前躯体在所述衬底与所述支撑平面正相对的表面发生反应生长成六方氮化硼单晶或薄膜。
相应地，一种大尺寸单层六方氮化硼薄膜，所述大尺寸单层六方氮化硼薄膜采用如上所述的制备方法制备得到，形成所述六方氮化硼薄膜的六方氮化硼单晶横向尺寸为20～80μm，形核密度降低至150count/mm2。
本发明大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法的有益效果在于：
相对于现有技术，本发明从流体力学的基本观点出发，通过对分子流源控系统的构建，利用LPCVD法使得氮化硼前躯体通过间隙，在衬底下表面形成边长达到20～80μm的六方氮化硼单晶，并由这些大尺寸的六方氮化硼单晶相互连接形成结晶度高、无孔洞的大尺寸单层六方氮化硼薄膜。此外，本方法的操作过程简单，适用于形成大尺寸六方氮化硼单晶并进一步快速、高质量地制备大尺寸单层的六方氮化硼薄膜，因此具有广泛地应用价值。
本发明提供的大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的有益效果在于：这种由大尺寸的六方氮化硼单晶形成的单层六方氮化硼薄膜尺寸大、具有原子级的平整度、晶界密度低、无悬挂键，是一种理想的二维材料衬底材料，在电子工业领域具有广泛地应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明对比例1制备得到的若干六方氮化硼单晶的SEM图；
图2为本发明对比例1制备得到的六方氮化硼薄膜的SEM图；
图3为本发明大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜制备方法所构建的六方氮化硼分子流源控生长模型；
图4为本发明实施例1制备得到的六方氮化硼单晶的光学显微镜图；
图5为本发明实施例1制备得到的六方氮化硼单晶的SEM图；
图6A为本发明实施例1制备得到的一种形貌的六方氮化硼单晶；
图6B为本发明实施例1制备得到的另一种形貌的六方氮化硼单晶；
图6C为本发明实施例1制备得到的又一种形貌的六方氮化硼单晶；
图7为本发明实施例1制备得到的单晶形成的六方氮化硼薄膜；
图8为本发明实施例1制备得到的六方氮化硼的X射线光电子能谱图；
图9为本发明实施例1制备得到的六方氮化硼的拉曼光谱图；
图10为本发明实施例1制备得到的六方氮化硼的紫外-可见吸收光谱图；
其中，D-表示支撑平面至衬底表面的间隙距离。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例提供一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法。该制备方法至少包括以下步骤：
步骤S01.将经过抛光平整处理的衬底置于支撑平面上，并使所述衬底与所述支撑平面形成0.5～2.0μm的间隙；
步骤S02.将放置有所述衬底的所述支撑平面置于低压化学气相沉积腔室内，在缓冲气体保护氛围下对所述衬底进行退火处理；
步骤S03.向所述低压化学气相沉积腔室中通入六方氮化硼前躯体，以低压化学气相沉积法使所述六方氮化硼前躯体在所述衬底与所述支撑平面正相对的表面发生反应生长成六方氮化硼单晶或薄膜。
下面对本发明的技术方案做进一步的详细解释。
本发明的抛光处理，主要是使得衬底表面洁净、平整，方便六方氮化硼生长于其表面而无杂质或缺陷，有利于获得大尺寸的单晶。
优选地，抛光处理为电化学抛光处理，通过电化学抛光处理，使得衬底表面平整干净。
在进行电化学抛光处理前，需要对衬底进行清洗处理。具体是将衬底置于培养皿中，分别使用丙酮、乙醇和质量分数为5～10％的稀盐酸，各超声 10～30min。然后取出衬底，加入200～300mL的超纯水，反复冲洗3～4次，随后使用氮气枪将衬底表面吹干，待用。
在电化学抛光处理过程中，所采用的电源是直流电源，抛光时保持电压恒定，抛光溶液可采用磷酸与乙二醇的混合溶液，将衬底置于磷酸/乙二醇抛光液中，作为阳极；同时向电解池中放入阴极；抛光时，将电源电压保持在2.0～2.5V，抛光时间18～30min，抛光完成后需要对衬底表面进行清洗和干燥处理。
优选地，衬底为铜箔或铜片，在进行电化学抛光时，需要对抛光时间和抛光电压进行调控，若抛光时间过短，铜箔或铜片表面的氧化膜和吸附杂质不能够被完全去除，若抛光时间过长，铜箔或铜片表面被过度抛光，其表面平整度下降；抛光电压过低，会使电化学抛光的速率变慢，效率降低，抛光电压过高，会使电化学抛光的速率过快，抛光过程中产生的气泡大量集聚在抛光液中，使各部分的导电性不同，反而使铜箔或铜片的平整度下降，不利于大尺寸六方氮化硼单晶的形成。
在铜箔或铜片的抛光过程中，也可以将抛光液同时进行预热处理，当抛光液在进行预热处理时，一般加热至45～50℃即可。对抛光液进行预热处理，可以提高金属离子在溶液中的迁移速率，使待抛光铜箔或铜片的各部分，具有近乎相同的抛光速率，从而具有更高的平整度。
上述步骤S01中提到的支撑平面，可以是石英片也可以是陶瓷片。本发明的支撑平面一方面用于支撑衬底，另一方面用于与衬底形成0.5～15.0μm的间隙，形成气体分子流通道。正常情况下，在低压化学气相沉积法制备六方氮化硼过程中，六方氮化硼直接在衬底的上表面沉积生成，但是由于本发明的衬底和支撑平面之间具有间隙，该间隙可以作为六方氮化硼前躯体及缓冲气体的扩散通道，不仅可以消除边界层对六方氮化硼成核密度的影响，而且六方氮化硼前躯体和缓冲气体将以分子流的形式进行扩散，使六方氮化硼和缓冲气体相互间的碰撞几率增加，因此可以在有效降低其形核密度的基础上，大大加快六方氮化硼在与支撑平面正相对的表面上的生长速度，从而能够制备得到大尺寸的六方氮化硼单晶，并在延长生长时间的基础上，制备得到高质量的六方氮化硼薄膜。
步骤S01处理后，还包括将衬底与支撑平面一起置于石英管中，再转移至低压化学气相沉积腔室内。在进行退火处理之前，向所述低压化学气相沉积腔室中反复充入缓冲气体如氢气，抽真空至1.5×10-2torr，关闭真空泵，通入氢气至常压，反复三次，将管路中的空气完全排出，避免由于空气的存在对衬底退火效果产生不良影响。随后保持氢气的流量为10～40sccm，将系统压力调至 1.0～20.0torr左右，并将炉温升至1050～1060℃，对铜箔退火1.2～2.5h。
在步骤S02的退火过程中，以氢气作为缓冲气体，在高温、压力恒定，且长时间保温条件下，使得铜箔衬底中的晶粒通过位错运动进行重排，并且使铜箔表面的杂质很快地挥发，避免残余杂质在后续生长过程中，成为六方氮化硼的潜在成核点而导致形核密度升高。因此，按照本发明的退火条件对铜箔进行退火处理，一方面可以达到提高铜箔晶粒尺寸和平整度的目的，另一方面，也可以防止铜箔表面含有杂质，对六方氮化硼形核密度带来的不利影响。
优选地，所述氢气流量控制设备，可以是质子流量控制器。在步骤S02的过程中，还需要对退火过程中的压力进行实时监控，使得在整个退火过程中，衬底表面的压力保持均衡。在退火过程中，可通过对流量和压力的控制，实现对生长衬底表面状态的调控，因此具有重要意义。
进一步地，还需要对退火压力进行适当地调整，一般采用1050℃对铜箔进行退火处理，提高退火压力，可以加快铜晶粒的生长速度，并缩短退火时间。然而，若退火温度过高，将造成铜表面的快速挥发，表面平整度下降；若温度过低，则铜晶粒的生长速度很慢，且不利于铜箔表面杂质的去除。
上述氢气的流量为10～40sccm，退火压力为1～20torr，两者之间具有一定的相关关系，恰当的氢气流量与压力控制，有利于铜片的表面平整化。
在步骤S03中，退火处理结束后，将低压化学气相沉积腔室的温度降低至 1000～1035℃，同时将六方氮化硼前驱体加热温度为70～90℃再充入低压化学气相沉积腔室内。控制生长压力为0.3～2.0torr，生长时间为30～60min。六方氮化硼单晶形成薄膜的生长过程中，其温度应当低于退火过程的温度，主要是为了避免生长过程中，由于温度过高对六方氮化硼薄膜产生刻蚀，使薄膜的连续性遭到破坏。
优选地，所述六方氮化硼前躯体为BH3NH3、(HBNH)3、(HBNCl)3、(ClBNH)3中的任一种。
本发明提供的大尺寸六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法，从流体力学的基本观点出发，通过对分子流源控系统的构建，并结合低压化学气相沉积法 (LPCVD法)使得氮化硼前躯体通过间隙，在衬底下表面形成边长长达20～80μm 的六方氮化硼单晶，并由这些大尺寸的六方氮化硼单晶相互连接形成结晶度高、无孔洞的大尺寸单层六方氮化硼薄膜。此外，本方法的操作过程简单，适用于获得大尺寸六方氮化硼单晶，并且由形成的单晶进一步快速、高质量地形成大尺寸单层的六方氮化硼薄膜，因此具有广泛地应用价值。
由于上述制备方法获得的大尺寸六方氮化硼单晶进一步形成的大尺寸单层六方氮化硼薄膜具有上述优点，因此，本发明还进一步地提供一种大尺寸单层六方氮化硼薄膜，这种大尺寸单层六方氮化硼薄膜具有原子级的平整度、晶界密度低、无悬挂键，是一种理想的二维材料衬底材料，在电子工业领域具有广泛地应用前景。
为更有效的说明本发明的技术方案，下面通过多个具体实施例说明本发明的技术方案。
实施例1
一种大尺寸单层六方氮化硼薄膜的制备方法，其制备方法如下：
(1).取铜箔，置于培养皿中，依次使用丙酮、乙醇和质量分数为5％的稀盐酸，各超声10min。将超声处理后的用200mL的超纯水进行反复冲洗至中性，随后使用氮气枪将铜箔表面吹干；
(2).将步骤(1)得到的铜箔，置于磷酸/乙二醇抛光液中，作为阳极；剪取同样尺寸的铜箔，放入电解池中，作为阴极；抛光时，将电源电压保持在2V左右，抛光时间20min；
(3).抛光结束后，迅速将电源关掉，并将抛光后的铜箔取出用超纯水反复冲洗3～4次，随后使用氮气枪将铜箔表面吹干；
(4).剪取步骤(3)得到的铜箔，其长宽为5cm×3cm，将其放置于石英片表面，并确保石英片与铜箔具有5.0μm的间隙，随后将承载了铜箔的石英片放置于石英管的中心位置；
(5).抽真空至1.5×10-2torr，关闭真空泵，通入氢气至常压，反复三次，将石英管路中的空气完全排出，保持氢气流量为40sccm，将系统压力调至5torr左右，并将炉温升至1050℃，对铜箔退火1.5h；
(6).待退火结束后，将炉温降低至1020℃，将压力调至1.0torr左右，将六方氮化硼前驱体加热至80℃左右并通入石英管中，生长60min，便可在与石英片表面正相对的铜箔表面(铜箔下表面)制备得到尺寸约为80μm的单层六方氮化硼薄膜。
对比例1
一种六方氮化硼薄膜的制备方法，其制备方法如下：
(1).剪取一定尺寸的铜箔，置于培养皿中，依次使用丙酮、乙醇和质量分数为5％的稀盐酸，各超声10min。将超声处理后的用200mL的超纯水进行反复冲洗至中性，随后使用氮气枪将铜箔表面吹干；
(2).将步骤(1)得到的铜箔，置于磷酸/乙二醇抛光液中，作为阳极；剪取同样尺寸的铜箔，放入电解池中，作为阴极；抛光时，将电源电压保持在2V左右，抛光时间20min；
(3).抛光结束后，迅速将电源关掉，并将抛光后的铜箔取出用超纯水反复冲洗3～4次，随后使用氮气枪将铜箔表面吹干；
(4).剪取长宽为5cm×3cm的铜箔，直接放置于石英管的中心位置；
(5).抽真空至1.5×10-2torr，关闭真空泵，通入氢气至常压，反复三次，将石英管路中的空气完全排出，保持氢气流量为40sccm，将系统压力调至5torr左右，并将炉温升至1050℃，对铜箔退火1.5h；
(6).待退火结束后，将炉温降低至1020℃，将压力调至1.0torr左右，将六方氮化硼前驱体加热至80℃左右并通入石英管中，生长60min，便可在铜箔上表面(与石英片正背对的表面)制备得到六方氮化硼薄膜。
为了更好的说明本发明大尺寸单层六方氮化硼薄膜的制备方法制备得到的大尺寸单层六方氮化硼薄膜的性能，对实施例1和对比例1获得的六方氮化硼薄膜进行相关的测试，测试项目包括形貌分析、X射线光电子能谱、拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱测试。
(1).形貌分析：使用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)，对实施例1、对比例1生长得到的六方氮化硼薄膜进行形貌分析，具体详见图1、图2和图4-7 所示；
由图1、2与图4-7的OM和SEM图比较可见，采用本发明的制备方法，制备的六方氮化硼单晶，形核密度低、尺寸大，整体形貌较好，由六方氮化硼单晶进一步连接形成六方氮化硼薄膜的晶界密度低。而由图1、2可以发现，对比例1所制备得到的六方氮化硼单晶以及薄膜，具有很高的成核密度，晶粒尺寸小，整体质量差，所制备的六方氮化硼薄膜的晶界密度高。
(2).X射线光电子能谱分析：利用XPS能谱对实施例1制备得到的六方氮化硼薄膜，进行元素的辨别、每种元素数量、比例和键合情况进行分析。图8 为样品的XPS能谱的全谱扫描图，从图8中可以看出样品中，含有元素铜、碳、氧、硼、氮，铜元素来自于铜衬底，碳和氧元素可能来自于环境中，吸附的水分、二氧化碳，以及表面氧的微弱氧化作用造成的。B和N元素的键合能峰位，分别为190.5eV和398eV，计算得到的氮原子与硼原子的化学计量比为1.08。
(3).拉曼光谱分析：利用拉曼光谱对实施例1制备得到的六方氮化硼薄膜进行测试分析，具体如图9所示。
由图9可知，单层六方氮化硼薄膜的拉曼信号非常弱。此外，使用Raman 光谱仪对单层立方氮化硼薄膜进行测试，发现单层的拉曼峰会蓝移4cm-1，即在 1370cm-1处，表明本发明制备得到的六方氮化硼薄膜具有良好的结晶性。
(4).紫外-可见吸收光谱分析：利用拉曼光谱对实施例1制备得到的六方氮化硼薄膜进行测试分析，由于六方氮化硼在紫外-可见光(UV-vis)范围内，具有强烈的吸收边缘，所以将其转移至石英片上，在波长约200nm的位置，会观察到一个尖锐的吸收峰出现，如图10所示。利用Tauc公式对其带隙进行计算，得到的六方氮化硼薄膜的光学带隙为5.9eV，而块体六方氮化硼材料的光学带隙为5.2～5.4eV。这是由于随着六方氮化硼层数的降低，内层交互作用成为六方氮化硼薄膜光学带隙的决定性因素，从而使六方氮化硼薄膜的带隙有所增大。
由以上分析可知，本发明基于流体力学的基本观点出发，以铜箔或铜片与支撑平面之间形成间隙(数个微米)作为原料的扩散通道，解决了一般将铜箔直接置于炉体中间位置在铜箔上表面形成的六方氮化硼薄膜出现的形核密度变大的问题。从而为六方氮化硼薄膜的合成提供一种可以消除边界层对六方氮化硼成核密度的影响，而且原料分子将以分子流的形式进行扩散，使原料分子间的碰撞几率增加的方法。因此本发明可以在有效降低其形核密度的基础上，大大加快六方氮化硼的生长速度，从而能够制备得到大尺寸的六方氮化硼单晶，并在延长生长时间的基础上，制备得到高质量的大尺寸单层六方氮化硼薄膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
