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六方氮化硼

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二维六方氮化硼(2D h-BN)是一种具有与石墨烯相似结构的材料，在诸如光子学[1]、 燃料电池[2]以及二维异质结构衬底等方面有潜在应用。2D h-BN与石墨烯具有同构性，但石墨烯具有导电性，而2D h-BN是一种宽禁带绝缘体。

2D h-BN薄膜的性能在很大程度上取决于薄膜的质量。大面积合成高质量的2D h-BN一直是一项挑战。尤其是多晶h-BN的小晶粒尺寸会导致许多晶界，这产生电荷陷阱和更高的表面粗糙度。

2D h-BN的生产可分为自上而下和自下而上。在自下而上的方法中，薄膜生长或沉积在表面上；在自上而下的方法中，较大的结构被减小，直到达到期望的状态或结构。

1 自上而下的方法编辑

自上而下方法背后的一般思想是获取大量的h-BN块体，然后打破六边形层之间的范德华力，并分离所得的二维h-BN片。这些技术主要由机械和化学剥离方法组成。[3]

在机械剥离中，h-BN的原子片被物理拉伸或彼此分离。例如，使用常规胶带剥离石墨烯片是最著名的机械剥离方法之一。[3]类似的技术也可以用来制造h-BN片。[4]一般来说，机械剥离方法可以被认为是制备h-BN纳米片的简单方法，但是它们的产率可能很低，[5]并且制造的结构的尺寸通常是有限的。[3]另一方面，已经发现与化学方法相比，用这种方法所生产的纳米片上的缺陷数量更少。

化学剥离在液体溶剂中进行，例如二氯乙烷[6]和二甲基甲酰胺。[7]超声处理用于打破h-BN晶体中的范德华力，这使得溶剂分子来膨胀原子层。这些方法非常简单，并且与机械剥离相比也可以提供更高的产率，尽管样品容易被污染。[5]

2 自下而上的方法编辑

2.1 化学汽相沉积

化学汽相沉积是一个自下而上的化学沉淀法，用来制备高质量的纳米级薄膜。在化学气相沉积中，衬底暴露于前驱体，其在晶片表面反应以产生所需的薄膜。这种反应通常也会产生有毒的副产品。历史上，超高真空CVD（UHVCVD）一直用于在过渡金属上的薄h-BN沉积。[8]近来h-BN的化学气相沉积在较高压力下的金属表面上也取得了成功。[9]

化学气相沉积依赖于活性前驱体的使用。对于h-BN，有气体、液体和固体形态可供选择，分别各有优缺点。气态前驱体，如BF3/NH3、BCl3/NH3和B2H6/NH3，这些气体是有毒的，需要仔细调配气体比例以保持1∶1的B/N化学计量比。[10]液态前体，如环硼氮烷，具有等量的硼和氮，并且不产生高毒性的副产物。然而，它们对水分敏感，易于水解。[11]这个缺点可以通过提高温度来抵消，但是更高的温度也会导致反应速率的增加。最后，对于固体前驱体，硼氮烷是稳定的，化学计量比为1∶1。它的缺点是会分解成高活性的BH2NH2，它在室温下聚合。纯硼氮烷因此不能作为前体，应该与BH2NH2和环硼氮烷混合。[12]

化学气相沉积按其操作条件分为常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和超高真空化学气相沉积。更高的真空需要更复杂的设备和更高的运行成本，而更高的压力产生更快的增长。对于h-BN，APCVD一直无法精确控制层数。目前至少需要LPCVD来生产大面积单层h-BN。[12]

化学气相沉积中基底的选择很重要，因为生产中的薄膜必须粘附在表面上。与石墨烯一样，在h-BN中过渡金属如铜或镍是CVD衬底材料的常用选择。铂也被用作晶片，[13]还有铁箔[14]和钴。[15]催化过渡金属晶片材料的缺点是需要将最终成果转移到目标衬底上，例如硅。这个过程经常损坏或污染薄膜。一些氮化硼薄膜已经在硅[16]、SiO2/Si[16]和蓝宝石[17]上生长。

h-BN膜上畴的取向受基底材料的选择及其取向的影响。典型地，在LPCVD方法中畴是三角形的，在APCVD方法中畴是三角形的、截断三角形的或六边形的。通常，这些畴是随机取向的，但是h-BN畴与铜(100)或(111)表面晶格严格对齐。[18]对于Cu (110)，对准不太严格，但在毫米距离上仍然很强。[19]

2.2 物理气相沉积

溅射

在溅射中，用高能粒子轰击所需膜材料的固体靶，从而可以在面对靶的晶片上产生薄膜。氩离子束已被用来在铜箔上溅射h-BN，产生高质量、少层的薄膜，[20]硼在N2/Ar中的磁控溅射已经用在钌上生长高质量的h-BN。[21]这个过程产生两个原子层厚的薄膜；较厚的薄膜可以通过交替室温沉积和退火循环来生长。

2.3 协同偏聚

当硼和氮的来源，例如无定形氮化硼，夹在钴或镍膜和二氧化硅之间时，通过在真空中退火异质结构，可以在金属表面生长原子级薄的h-BN膜。硼和氮原子溶解在金属块中，扩散穿过薄膜，并沉淀在表面上。[22]这样，就避免了非常规或有毒前驱体的使用。

3 其他方法编辑

在分子束外延（MBE）中，加热的气体元素会凝结在晶片上。分子束外延已经用于在镍箔上从元素B和N生长h-BN薄膜。[23]

熔融氧化硼与气态氨反应，在反应界面形成超薄h-BN膜。[24]该薄膜厚度增加到20-30nm，之后该过程自行终止，冷却设备，氧化硼可以溶解在水中。

参考文献

  • [1]

    ^Andres Castellanos-Gomez (2016). "Why all the fuss about 2D semiconductors?". Nature Photonics. 10 (4): 202–204. arXiv:1604.06425. Bibcode:2016NaPho..10..202C. doi:10.1038/nphoton.2016.53..

  • [2]

    ^Hu, S.; et al. (2014). "Proton transport through one-atom-thick crystals". Nature. 516 (7530): 227–230. arXiv:1410.8724. Bibcode:2014Natur.516..227H. doi:10.1038/nature14015..

  • [3]

    ^Wang, H.; et al. (2017). "Recent progress in synthesis of two-dimensional hexagonal boron nitride". Journal of Semiconductors. 38 (3): 031003. Bibcode:2017JSemi..38c1003W. doi:10.1088/1674-4926/38/3/031003..

  • [4]

    ^Novoselov K. S.; et al. (2005). "Two-dimensional atomic crystals". Proc Natl Acad Sci USA. 102 (30): 10451–10453. arXiv:cond-mat/0503533. Bibcode:2005PNAS..10210451N. doi:10.1073/pnas.0502848102..

  • [5]

    ^Xu M. S.; et al. (2013). "Graphene-like two-dimensional materials". Chem. Rev. 113 (5): 3766–3798. doi:10.1021/cr300263a..

  • [6]

    ^Warner J. H.; et al. (2010). "Atomic resolution imaging and topography of boron nitride sheets produced by chemical exfoliation". ACS Nano. 4 (3): 1299–1304. doi:10.1021/nn901648q..

  • [7]

    ^Zhi C.; et al. (2009). "Large-scale fabrication of few-atomic-layer boron nitride nanosheets and their utilization in polymeric composites with improved thermal and mechanical properties". Adv. Mater. 21 (28): 2889–2893. doi:10.1002/adma.200900323..

  • [8]

    ^Nagashima, A.; et al. (1995). "Electronic structure of monolayer hexagonal boron nitride physisorbed on metal surfaces". Physical Review Letters. 75 (21): 3918–3921. Bibcode:1995PhRvL..75.3918N. doi:10.1103/PhysRevLett.75.3918. PMID 10059764..

  • [9]

    ^Kim, G.; et al. (2013). "Growth of high-crystalline, single-layer hexagonal boron nitride on recyclable platinum foil". Nano Letters. 13 (4): 1834–1839. Bibcode:2013NanoL..13.1834K. doi:10.1021/nl400559s..

  • [10]

    ^Pierson, Hugh O. (1975). "Boron Nitride Composites By Chemical Vapor Deposition". Journal of Composite Materials. 9 (3): 228–240..

  • [11]

    ^Sun, Yongzhou; et al. (2015). "Behavior of decomposed ammonia borane at high pressure". Journal of Physics and Chemistry of Solids. 84: 75–79. Bibcode:2015JPCS...84...75S. doi:10.1016/j.jpcs.2014.12.004..

  • [12]

    ^Bao, Jie; et al. (2016). "Synthesis and applications of two-dimensional hexagonal boron nitride in electronics manufacturing". Electronic Materials Letters. 12 (1): 1–16. Bibcode:2016EML....12....1B. doi:10.1007/s13391-015-5308-2..

  • [13]

    ^Gao, Yang; et al. (2013). "Repeated and Controlled Growth of Monolayer, Bilayer and Few-Layer Hexagonal Boron Nitride on Pt Foils". ACS Nano. 7 (6): 5199–5206. doi:10.1021/nn4009356..

  • [14]

    ^Kim SM; et al. (2015). "Synthesis of large-area multilayer hexagonal boron nitride for high material performance". Nature Communications. 6. Bibcode:2015NatCo...6E8662K. doi:10.1038/ncomms9662..

  • [15]

    ^Orofeo, Carlo M.; et al. (2013). "Growth and low-energy electron microscopy characterization of monolayer hexagonal boron nitride on epitaxial cobalt". Nano Research. 6 (5): 335–347. doi:10.1007/s12274-013-0310-1..

  • [16]

    ^Yu, Jie; et al. (2010). "Vertically Aligned Boron Nitride Nanosheets: Chemical Vapor Synthesis, Ultraviolet Light Emission, and Superhydrophobicity". ACS Nano. 4 (1): 414–422. doi:10.1021/nn901204c..

  • [17]

    ^Jang, A-Rang; et al. (2016). "Wafer-Scale and Wrinkle-Free Epitaxial Growth of Single-Orientated Multilayer Hexagonal Boron Nitride on Sapphire". Nano Letters. 16 (5): 3360–3366. Bibcode:2016NanoL..16.3360J. doi:10.1021/acs.nanolett.6b01051..

  • [18]

    ^Liu, Lei; et al. (2014). "Unusual role of epilayer–substrate interactions in determining orientational relations in van der Waals epitaxy". Proc Natl Acad Sci USA. 111 (47): 16670–16675. Bibcode:2014PNAS..11116670L. doi:10.1073/pnas.1405613111. PMC 4250159..

  • [19]

    ^Tay, Roland Yingjie; et al. (2016). "Synthesis of aligned symmetrical multifaceted monolayer hexagonal boron nitride single crystals on resolidified copper". Nanoscale. 8 (4): 2434–2444. Bibcode:2016Nanos...8.2434T. doi:10.1039/C5NR08036C..

  • [20]

    ^Wang, H.; et al. (2015). "Controlled Growth of Few‐Layer Hexagonal Boron Nitride on Copper Foils Using Ion Beam Sputtering Deposition". Small. 11 (13): 1542–1547. doi:10.1002/smll.201402468..

  • [21]

    ^Sutter, P.; et al. (2013). "Scalable Synthesis of Uniform Few-Layer Hexagonal Boron Nitride Dielectric Films". Nano Letters. 13 (1): 276–281. Bibcode:2013NanoL..13..276S. doi:10.1021/nl304080y..

  • [22]

    ^Suzuki, Satoru; et al. (2012). "Growth of atomically thin hexagonal boron nitride films by diffusion through a metal film and precipitation". J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (38): 385304. Bibcode:2012JPhD...45L5304S. doi:10.1088/0022-3727/45/38/385304..

  • [23]

    ^Nakhaie, S.; et al. (2015). "Synthesis of atomically thin hexagonal boron nitride films on nickel foils by molecular beam epitaxy". Appl. Phys. Lett. 106 (21): 213108. arXiv:1501.06606. Bibcode:2015ApPhL.106u3108N. doi:10.1063/1.4921921..

  • [24]

    ^Yang, X.; et al. (2013). "Facile synthesis of large-area ultrathin hexagonal BN films via self-limiting growth at the molten B2O3 surface". Small. 9 (8): 1353. doi:10.1002/smll.201203126..

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