二维硼碳氮纳米片层薄膜的控制生长及性质研究

摘要

自从石墨烯材料被发现以来，其独特的性质以及在电子器件方面的应用前景，吸引着越来越多的科研人员研究二维纳米材料。由于六方氮化硼具有类似于石墨的结构，并且在某些方面的性质更优于石墨，因此许多研究者把注意力转向合成二维六方氮化硼材料。氮化硼纳米片具有与碳纳米片互补的物理化学性质，如半导体性、高温稳定性和高化学稳定性，因而在紫外发光纳米电子器件、高温催化剂载体、电子场发射及自清洁涂层等方面具有潜在应用。而通过对氮化硼材料掺杂获得的硼碳氮材料具有改进的导电性，并可得到可调的能带结构，因而有其独特的性质和应用。
　　本论文研究了用微波等离子体化学气相沉积法在（001）取向单晶硅面片上生长二维硼碳氮（BCN）纳米片层薄膜及其结构与性质，基于已经建立的利用N2-BF3-H2反应体系制备氮化硼（BN）二维纳米片的方法，通过在反应气相中引入甲烷的方法来制备硼碳氮三元纳米片层薄膜。通过对生长工艺参数的研究，发现甲烷的掺入明显影响硼碳氮纳米片层薄膜的生长，如：未掺入甲烷前，氮化硼纳米片的最佳沉积压强为6kPa，并且低于4kPa压强时不能生长，而掺入甲烷后通过控制参数，BCN纳米片的最佳生长压强为2-3kPa；甲烷在沉积系统中能加速硼碳氮纳米片的生长。同时在沉积的过程中引入偏压，研究偏压对BCN纳米片生长的影响。本论文系统研究了各种参数包括反应压强、功率、微波偏压、各种气体流量对BCN纳米片层薄膜形貌以及性质的影响，并分析了BCN纳米片层薄膜的生长机制。结果表明，通过参数调节可以得到排列方向、尺寸、厚度、形状、密度以及碳含量可控制的BCN纳米片层结构。扫描电子显微镜（SEM）图片显示这些定向排列的纳米片状材料的大小大多集中在0.3μm到2.1μm之间，而厚度通过SEM观察也在20nm以下。进一步通过投射电子显微镜（TEM）的测试，发现在片层边缘由2-20个原子层组成，呈梯形排列类似于刀刃的尖端，且晶面间距为0.34nm左右，与石墨以及六方氮化硼晶体的（002）面层间距近似。通过对BCN纳米片状材料的红外以及拉曼光谱的研究，发现在不同参数条件下沉积的BCN纳米片具有明显不同的红外以及拉曼峰，从而进一步阐述了参数对沉积结晶质量的影响。光致发光测试表明，随着碳含量的增加，发光峰从375nm移到530nm，当碳含量过大时发光性质消失，失去半导体性。

目录

二维硼碳氮纳米片层薄膜的控制生长及性质研究

Controlled Growth of Boron Carbonitride Nanosheets and Their Properties

摘 要

Abstract

Acknowledgements

Contents

List of tables

List of figures

CHAPTER 1 Introduction

1.1 Introduction to BN

1.2 Introduction to BCN

1.3 Fabrication methods of BCN

1.3.1 Chemical vapor deposition (CVD)

1.3.2 Physical vapor deposition (PVD)

1.4 Research of BCN films

1.5 Major work of my research

CHAPTER 2 Experimental and characterization methods

2.1 Introduction of microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD)

2.1.1 Introduction of MPCVD equipment

2.2 Pretreatment of Si wafer and preparation of BCN nanosheets

2.2.1 Pretreatment of Si wafer

2.2.2 Experimental procedure of growing BCN nanosheets

2.3 Characterization

2.3.1 Fourier transform infrared spectra

2.3.2 Raman and photoluminescence spectra

2.3.3 Scanning electron microscope (SEM)

2.3.4 Transmission electron microscopy (TEM)

CHAPTER 3 Effects of process parameters on growth of BCN nanosheets

3.1 Morphology of BCN nanosheets deposited under different N2 flow rate

3.2 Effects of working pressure

3.2.1 SEM images of BCN nanosheets deposited under different working pressure

3.2.2 Raman and FTIR spectra of BCN nanosheets deposited under different working pressure

3.3 Effects of DC bias voltage

3.3.1 SEM images of BCN nanosheets deposited under different DC bias voltage

3.3.2 Raman and FTIR spectra of BCN nanosheets deposited under different DC bias voltage

3.4 Effects of microwave power

3.4.1 SEM images of BCN nanosheets deposited under different microwave power

3.4.2 Raman and FTIR spectra of BCN nanosheets deposited under different microwave power

3.5 Effects of BF3/H2 flow rate

3.5.1 SEM images of BCN nanosheets deposited under different BF3/H2 flow rate

3.5.2 Raman and FTIR spectra of BCN nanosheets deposited under different BF3/H2 flow rate

3.6 Effects of CH4 flow rate

3.6.1 SEM images of BCN nanosheets deposited under different CH4 flow rate

3.6.2 Raman and FTIR spectra of BCN nanosheets deposited under different CH4 flow rate

3.7 Conclusion

CHAPTER 4 Growth mechanism and photoluminescence properties of BCN nanosheets

4.1 Structure feature of BCN nanosheets with smooth surface

4.2 A growth mechanism of BCN nanosheets

4.3 Photoluminescence properties of BCN nanosheets

4.4 Conclusion

Conclusion

References

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