Синтез гексагонального нитрида бора

Двумерный гексагональный нитрид бора (2D h-BN) представляет собой материал, структура которого сопоставима с графеном , и который может найти применение, например, в фотонике [1], топливных элементах [ 2] и в качестве подложки для двумерных гетероструктур [3] . Двумерный h-BN изоструктурен графену, но в то время как графен является проводником, двумерный h-BN является широкозонным изолятором [3] .

Свойства пленок 2D h-BN во многом зависят от качества пленок. Синтезировать высококачественный 2D h-BN на больших площадях оказалось непросто. [3] В частности, малый размер зерна поликристаллического h-BN приводит к появлению множества границ зерен , которые создают ловушки заряда и более высокую шероховатость поверхности.

Производство 2D h-BN можно разделить на подходы сверху вниз и снизу вверх . В методах снизу вверх пленка выращивается или осаждается на поверхности; в методах сверху вниз более крупная структура уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое состояние или структура.

Методы сверху вниз

Общая идея подходов сверху вниз заключается в том, чтобы взять объемный h-BN, разорвать силы Ван-дер-Ваальса между гексагональными слоями и разделить полученные двумерные листы h-BN. Эти методы в основном состоят из методов механического и химического расслоения. [3]

При механическом отслаивании атомные листы h-BN физически вытягиваются или отделяются друг от друга. Например, использование обычной клейкой ленты для отслаивания листов графена является одним из самых известных методов механического отслаивания [4] , и подобные методы также могут быть использованы для создания листов h-BN. [5] Вообще говоря, методы механического отслаивания можно рассматривать как простые способы изготовления нанолистов h-BN, но их выход может быть небольшим [6], а размер изготовленных структур обычно ограничен. [3] С другой стороны, было обнаружено, что количество дефектов на полученных нанолистах меньше по сравнению с химическими методами. [7]

Химическое отшелушивание проводится в жидких растворителях, таких как дихлорэтан [8] и диметилформамид. [9] Ультразвуковая обработка используется для разрушения сил Ван-дер-Ваальса в кристаллах h-BN, что позволяет молекулам растворителя расширять атомные слои. [7] Эти методы довольно просты и также могут обеспечить более высокий выход по сравнению с механическим отшелушиванием, хотя образцы легко загрязняются. [6]

Методы снизу вверх

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — это метод химического осаждения снизу вверх, используемый для создания высококачественных наноразмерных пленок . В CVD подложка подвергается воздействию прекурсоров, которые реагируют на поверхности пластины для получения желаемой пленки. Эта реакция часто также приводит к образованию токсичных побочных продуктов. Исторически сверхвысоковакуумное CVD (UHVCVD) использовалось для тонкого осаждения h-BN на переходных металлах. [10] Совсем недавно CVD h-BN также было успешно применено на металлических поверхностях при более высоких давлениях. [11]

CVD зависит от использования реактивных прекурсоров. Для h-BN существуют газообразные, жидкие и твердые варианты на выбор, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Газообразные прекурсоры, такие как BF 3 /NH 3 , BCl 3 /NH 3 и B 2 H 6 /NH 3 , токсичны и требуют тщательного соотношения газов для сохранения стехиометрии B/N 1:1 . [12] Жидкие прекурсоры, такие как боразин , имеют равное количество бора и азота и не производят высокотоксичных побочных продуктов. Однако они чувствительны к влаге и легко гидролизуются . [13] Этот недостаток можно устранить, повысив температуру, но более высокие температуры также приводят к увеличению скорости реакции. Наконец, для твердых прекурсоров боразан стабилен и имеет стехиометрию B/N 1:1. Его недостатком является его разложение на высокоактивный BH 2 NH 2 , который полимеризуется при комнатной температуре. Чистый боразан, следовательно, не работает как прекурсор и должен быть смешан с BH 2 NH 2 и боразином. [7]

CVD классифицируется по условиям эксплуатации на CVD при атмосферном давлении (APCVD), CVD при низком давлении (LPCVD) и CVD сверхвысокого вакуума. Более высокий вакуум требует более сложного оборудования и более высоких эксплуатационных расходов, в то время как более высокое давление обеспечивает более быстрый рост. Для h-BN APCVD не смог точно контролировать количество слоев. По крайней мере, LPCVD в настоящее время требуется для производства монослоя h-BN большой площади. [14]

Выбор подложки в CVD важен, так как пленка в процессе производства должна прилипать к поверхности. В h-BN, как и в графене, переходные металлы, такие как Cu или Ni, являются популярным выбором для материалов подложки CVD. Платина также использовалась в качестве пластины [15] , как и железная фольга [16] и кобальт. [17] Недостатком каталитических материалов для пластин переходных металлов является необходимость переноса результата на целевую подложку, такую ​​как кремний. Эта процедура часто повреждает или загрязняет пленку. Некоторые пленки h-BN были выращены на Si, [18] SiO 2 /Si, [18] и сапфире [19].

Ориентация доменов на пленке h-BN зависит от выбора материала подложки и ее ориентации. Обычно домены треугольные в LPCVD и треугольные, усеченные треугольные или шестиугольные в APCVD. Часто эти домены ориентированы случайным образом, но домены h-BN строго выровнены с поверхностными решетками меди (100) или (111). [20] С Cu (110) выравнивание менее строгое, но все еще сильное на миллиметровых расстояниях. [21]

Физическое осаждение из паровой фазы

Распыление

При распылении твердая мишень желаемого материала пленки бомбардируется энергичными частицами, так что на пластине, обращенной к мишени, может быть получена тонкая пленка. Ионные пучки Ar использовались для распыления h-BN на фольгу Cu, что приводило к получению высококачественных пленок с несколькими слоями [22], а магнетронное распыление B в N2/Ar использовалось для выращивания высококачественного h-BN на Ru. [23] Этот процесс приводит к получению пленок толщиной в два атомных слоя; более толстые пленки можно выращивать путем чередования циклов осаждения при комнатной температуре и отжига.

Совместная сегрегация

Когда источник бора и азота, такой как аморфный BN, помещается между пленкой Co или Ni и SiO2, можно вырастить атомарно тонкую пленку h-BN на поверхности металла путем отжига гетероструктуры в вакууме. Атомы B и N растворяются в объеме металла, диффундируют через пленку и осаждаются на поверхности. [24] Таким образом, избегается использование нетрадиционных или токсичных прекурсоров.

Другие методы

В молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) нагретые газообразные элементы конденсируются на пластине. МЛЭ использовалась для выращивания пленок h-BN из элементарных B и N на никелевых фольгах. [25]

Расплавленный оксид бора реагирует с газообразным аммиаком, образуя сверхтонкую пленку h-BN на границе реакции. [26] Пленка вырастает до толщины 20-30 нм, после чего процесс самопроизвольно прекращается, установка охлаждается, и оксид бора может быть растворен в воде.

Ссылки

  1. ^ Андрес Кастелланос-Гомес (2016). «Почему вся эта суета вокруг 2D-полупроводников?». Nature Photonics . 10 (4): 202– 204. arXiv : 1604.06425 . Bibcode : 2016NaPho..10..202C. doi : 10.1038/nphoton.2016.53. S2CID  118543165.
  2. ^ Ху, С.; и др. (2014). «Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом». Nature . 516 (7530): 227– 230. arXiv : 1410.8724 . Bibcode :2014Natur.516..227H. doi :10.1038/nature14015. PMID  25470058. S2CID  4455321.
  3. ^ abcde Wang, H.; et al. (2017). "Недавний прогресс в синтезе двумерного гексагонального нитрида бора". Journal of Semiconductors . 38 (3): 031003. Bibcode :2017JSemi..38c1003W. doi :10.1088/1674-4926/38/3/031003. S2CID  114354828.
  4. ^ Новоселов КС; и др. (2004). "Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках". Science . 306 (5696): 666– 669. arXiv : cond-mat/0410550 . Bibcode :2004Sci...306..666N. doi :10.1126/science.1102896. PMID  15499015. S2CID  5729649.
  5. ^ Новоселов КС; и др. (2005). "Двумерные атомные кристаллы". Proc Natl Acad Sci USA . 102 (30): 10451– 10453. arXiv : cond-mat/0503533 . Bibcode : 2005PNAS..10210451N. doi : 10.1073/pnas.0502848102 . PMC 1180777. PMID  16027370 . 
  6. ^ ab Xu MS; et al. (2013). «Двумерные материалы, подобные графену». Chem. Rev. 113 ( 5): 3766– 3798. doi :10.1021/cr300263a. PMID  23286380.
  7. ^ abc Bao, Jie; et al. (2016). «Синтез и применение двумерного гексагонального нитрида бора в производстве электроники». Electronic Materials Letters . 12 (1): 1– 16. Bibcode : 2016EML....12....1B. doi : 10.1007/s13391-015-5308-2. S2CID  135897866.
  8. ^ Warner JH; et al. (2010). «Визуализация с атомным разрешением и топография листов нитрида бора, полученных химическим расслоением». ACS Nano . 4 (3): 1299– 1304. doi :10.1021/nn901648q. PMID  20148574.
  9. ^ Zhi C.; et al. (2009). «Масштабное изготовление нанолистов нитрида бора с несколькими атомными слоями и их использование в полимерных композитах с улучшенными термическими и механическими свойствами». Adv. Mater . 21 (28): 2889– 2893. doi :10.1002/adma.200900323. S2CID  95785929.
  10. ^ Nagashima, A.; et al. (1995). «Электронная структура монослойного гексагонального нитрида бора, физически адсорбированного на металлических поверхностях». Physical Review Letters . 75 (21): 3918– 3921. Bibcode :1995PhRvL..75.3918N. doi :10.1103/PhysRevLett.75.3918. PMID  10059764.
  11. ^ Ким, Г.; и др. (2013). «Рост высококристаллического однослойного гексагонального нитрида бора на перерабатываемой платиновой фольге». Nano Letters . 13 (4): 1834– 1839. Bibcode : 2013NanoL..13.1834K. doi : 10.1021/nl400559s. PMID  23527543.
  12. ^ Пирсон, Хью О. (1975). «Композиты на основе нитрида бора, полученные методом химического осаждения из паровой фазы». Журнал композитных материалов . 9 (3): 228– 240. Bibcode : 1975JCoMa...9..228P. doi : 10.1177/002199837500900302. OSTI  4146652. S2CID  136710862.
  13. ^ Сан, Юнчжоу; и др. (2015). «Поведение разложившегося аммиачного борана при высоком давлении». Журнал физики и химии твердого тела . 84 : 75– 79. Bibcode :2015JPCS...84...75S. doi : 10.1016/j.jpcs.2014.12.004 .
  14. ^ Кепке, Джастик К.; и др. (2016). «Роль давления в росте тонких пленок гексагонального нитрида бора из аммиака-борана». Химия материалов . 28 (2): 4169–4179 . arXiv : 1605.06861 . doi : 10.1021/acs.chemmater.6b00396. S2CID  49522256.
  15. ^ Гао, Янг и др. (2013). «Повторный и контролируемый рост монослоя, бислоя и нескольких слоев гексагонального нитрида бора на Pt фольге». ACS Nano . 7 (6): 5199– 5206. doi :10.1021/nn4009356. PMID  23663007.
  16. ^ Ким SM; и др. (2015). «Синтез многослойного гексагонального нитрида бора большой площади для высоких эксплуатационных характеристик материала». Nature Communications . 6 : 8662. Bibcode : 2015NatCo...6.8662K. doi : 10.1038/ncomms9662. PMC 4639899. PMID  26507400 . 
  17. ^ Орофео, Карло М.; и др. (2013). «Рост и низкоэнергетическая электронная микроскопия характеристик монослоя гексагонального нитрида бора на эпитаксиальном кобальте». Nano Research . 6 (5): 335– 347. doi :10.1007/s12274-013-0310-1. S2CID  136687731.
  18. ^ ab Yu, Jie; et al. (2010). «Вертикально выровненные нанолисты нитрида бора: химический паровой синтез, ультрафиолетовое излучение и супергидрофобность». ACS Nano . 4 (1): 414– 422. doi :10.1021/nn901204c. PMID  20047271.
  19. ^ Джанг, А-Ранг и др. (2016). «Шкала пластины и эпитаксиальный рост без морщин одноориентированного многослойного гексагонального нитрида бора на сапфире». Nano Letters . 16 (5): 3360– 3366. Bibcode : 2016NanoL..16.3360J. doi : 10.1021/acs.nanolett.6b01051. PMID  27120101.
  20. ^ Лю, Лей и др. (2014). «Необычная роль взаимодействий эпислой–подложка в определении ориентационных отношений в эпитаксии Ван-дер-Ваальса». Proc Natl Acad Sci USA . 111 (47): 16670– 16675. Bibcode : 2014PNAS..11116670L. doi : 10.1073/pnas.1405613111 . PMC 4250159. PMID  25385622 . 
  21. ^ Tay, Roland Yingjie; et al. (2016). «Синтез выровненных симметричных многогранных монослойных гексагональных монокристаллов нитрида бора на повторно затвердевшей меди». Nanoscale . 8 (4): 2434– 2444. Bibcode : 2016Nanos...8.2434T. doi : 10.1039/C5NR08036C. PMID  26753762.
  22. ^ Ван, Х.; и др. (2015). «Контролируемый рост нескольких слоев гексагонального нитрида бора на медной фольге с использованием ионно-лучевого распыления». Small . 11 (13): 1542– 1547. doi :10.1002/smll.201402468. PMID  25367702.
  23. ^ Sutter, P.; et al. (2013). «Масштабируемый синтез однородных малослойных гексагональных диэлектрических пленок нитрида бора». Nano Letters . 13 (1): 276– 281. Bibcode : 2013NanoL..13..276S. doi : 10.1021/nl304080y. PMID  23244762.
  24. ^ Suzuki, Satoru; et al. (2012). "Рост атомарно тонких гексагональных пленок нитрида бора путем диффузии через металлическую пленку и осаждения". J. Phys. D: Appl. Phys . 45 (38): 385304. Bibcode :2012JPhD...45L5304S. doi :10.1088/0022-3727/45/38/385304. S2CID  94163863.
  25. ^ Nakhaie, S.; et al. (2015). "Синтез атомарно тонких гексагональных пленок нитрида бора на никелевых фольгах методом молекулярно-лучевой эпитаксии". Appl. Phys. Lett . 106 (21): 213108. arXiv : 1501.06606 . Bibcode :2015ApPhL.106u3108N. doi :10.1063/1.4921921. S2CID  32683376.
  26. ^ Yang, X.; et al. (2013). "Легкий синтез сверхтонких гексагональных пленок BN большой площади с помощью самоограничивающегося роста на поверхности расплавленного B2O3". Small . 9 (8): 1353– 8. doi :10.1002/smll.201203126. PMID  23494990.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Синтез_гексагонального_нитрида_бора&oldid=1219985041"