基于低壓化學(xué)氣相沉積方法的二維六方氮化硼薄膜制備

李驍霖

摘要：六方氮化硼薄膜研究目前尚處于基礎(chǔ)階段，其制備方法尚不成熟。本文主要介紹了采用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，以環(huán)硼氮烷（Borazine）為先驅(qū)體，以Cu為襯底，得到結(jié)晶度高、尺寸大并且厚度均勻的六方氮化硼薄膜的制備過(guò)程，以及轉(zhuǎn)移過(guò)程。

關(guān)鍵詞：六方氮化硼薄膜；化學(xué)氣相沉積；制備方法；轉(zhuǎn)移過(guò)程

0引言

氮化硼（BN）是一種III-V族共價(jià)化合物，由交替的相同數(shù)目的硼原子和氮原子組成，有常見(jiàn)的4種異構(gòu)體，其中c-BN和h-BN為人們接觸和研究最多的結(jié)構(gòu)。

氮化硼塊體材料擁有介電性、高溫?zé)岱€(wěn)定性、抗氧化性和耐腐蝕性等多種優(yōu)異特性，可用于制備介電層或柔性電容器、應(yīng)用于發(fā)光器件、或作為添加劑，增強(qiáng)聚合物的力學(xué)性能和熱導(dǎo)率。制備六方氮化硼薄膜的主要方法有：微機(jī)械剝離工藝、液相剝離工藝、先驅(qū)體自鼓泡法、尿素液相反應(yīng)工藝、高溫碳熱還原工藝、高能物理法、球磨剝離方法。

1制備原理

氨硼烷（BH3NH3）是一種白色的固體，與乙烷等電子，且有一個(gè)高度極化的電子對(duì)配位鍵。BH3NH3的電離能為130KJ/mol，重量?jī)?chǔ)氫密度為19.6wt%，體積儲(chǔ)氫密度為145Kg/m^3，且其在外界環(huán)境條件下不易燃不易爆，因此作為一種潛在的儲(chǔ)氫材料引起了廣泛關(guān)注。氫可以通過(guò)諸如熱解、水解、加氫熱解和醇解等步驟中從BH3NH3中提取出來(lái)，而其中熱解是最常用和使用的方法，可以在適當(dāng)?shù)臏囟认庐a(chǎn)生超過(guò)9wt%的氫氣。

BH3NH3熱分解由一系列的反應(yīng)構(gòu)成，并伴隨著質(zhì)量的減少和氫氣的釋放以及硼氮物種的產(chǎn)生。該反應(yīng)的第一步為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度約為110℃，此過(guò)程中BH3NH3發(fā)生融化。如圖2-1所示，放熱反應(yīng)發(fā)生在220℃、130℃和1170℃階段，反應(yīng)中第一次質(zhì)量的減少發(fā)生在110℃，釋放出氫氣，并會(huì)產(chǎn)生少量BH2NH2。接著，反應(yīng)繼續(xù)釋放氫氣，并生成B3N3H6；最后，在1170～1500℃的反應(yīng)條件下，生產(chǎn)h-BN。

2 h-BN的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理

為避免金屬襯底在空氣中被氧化，需要在實(shí)驗(yàn)前用丙酮、去離子水、稀鹽酸清洗，除去表面附著污染物和氧化物，在 Ar、H2條件下對(duì)鎳襯底進(jìn)行高溫退火預(yù)處理，以進(jìn)一步除去襯底的表面氧化，并通過(guò)退火處理，釋放襯底的內(nèi)部應(yīng)力，改善襯底表面平整度，為六方氮化硼薄膜生長(zhǎng)做準(zhǔn)備。之后采用電化學(xué)拋光的方法刻蝕掉銅箔表面層，得到無(wú)嵌入顆粒的拋光銅箔。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有反應(yīng)爐、石英管、氣體流速控制設(shè)備、氣壓計(jì)、真空泵等。通過(guò)控制氣體的流速，保證一定氣壓的前提下，在一定溫度下進(jìn)行反應(yīng)，制作六方氮化硼薄膜。首先使用IPA+無(wú)塵紙擦洗石英管，并用無(wú)塵紙擦干。然后使用丙酮、乙醇超聲處理石英片、石英舟，并使用N2吹干。載具及實(shí)驗(yàn)藥品和銅箔等均儲(chǔ)存在真空箱中。通過(guò)查找資料確定生長(zhǎng)條件的范圍。最后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)流程為：裝載樣品、檢查氣密、置換管內(nèi)氣體、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)氣壓、開(kāi)啟管式爐-薄膜生長(zhǎng)、升溫降溫處理和樣品的取出與保存。

1.3 轉(zhuǎn)移過(guò)程

首先配置0.15g/ml FeCl3溶液和松香/乳酸乙酯溶液，然后將h-BN/Cu切割成1*1cm2左右的正方形，用膠帶粘于載玻片上，置于勻膠機(jī)樣品臺(tái)，用松香/乳酸乙酯溶液將樣品表面完全覆蓋，勻膠機(jī)處理后放置在室溫下使其自然凝固；用過(guò)氧化氫/鹽酸溶液清洗Resin/h-BN/Cu背面，然后用FeCl3溶液進(jìn)行腐蝕，直到銅完全溶解，最后清洗加熱烘干即可；

3 結(jié)論

本文主要介紹了采用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，以環(huán)硼氮烷（Borazine）為先驅(qū)體，以Cu為襯底，通過(guò)一系列的反應(yīng)，在釋放出氫氣的同時(shí)產(chǎn)生硼氮物種，最終得到結(jié)晶度高、尺寸大并且厚度均勻的六方氮化硼薄膜，并對(duì)薄膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：提高氫氣的濃度可增加銅晶粒尺寸，有助于連續(xù)h-BN的形成，提高h(yuǎn)-BN的質(zhì)量。此外，減小前驅(qū)升華溫度能夠得到更薄、更均勻的h-BN，同時(shí)也可以保證h-BN表面的均一和平整。

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