一种六方氮化硼异质结的制备方法及六方氮化硼异质结

摘要

本发明公开了一种六方氮化硼异质结的制备方法及六方氮化硼异质结，所述方法包括：在金属箔衬底上生长六方氮化硼薄膜；去除金属箔衬底，并将六方氮化硼薄膜转移至介质衬底上；将上一步得到的样品经过退火处理后放入生长腔室中，同时在该生长腔室放入过渡金属二硫族化合物的前驱体；向生长腔室通入载气，以使过渡金属二硫族化合物的前驱体在六方氮化硼薄膜表面发生反应，得到过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结。本发明提供的制备方法能够直接在六方氮化硼薄膜上大面积生长过渡金属二硫族化合物，以形成过渡金属二硫族化合物/六方氮化硼异质结，避免了传统机械转移方法易出现的破损、褶皱及转移媒介造成的界面缺陷和污染等问题。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种六方氮化硼异质结的制备方法及其六方氮化硼异质结。

背景技术

二维材料由于其独特的原子层结构以及电学和光学特性，已成为一种研究广泛的新型材料，在新型微电子及光电器件中的应用潜力巨大。不同二维材料的堆叠能够结合各自优异的特性，极大地扩展其性能及应用。例如，过渡金属二硫族化合物是一种重要的二维半导体材料，然而其电学性质受周围环境影响很大，衬底中的各种无序会使其迁移率严重下降。六方氮化硼是一种优异的二维绝缘体，其表面可以达到原子级平滑，且无悬挂键和陷阱电荷。将过渡金属二硫族化合物和六方氮化硼的垂直堆叠可以大幅还原其优异的本征特性，非常适合于探索二维材料电学及光电特性，提高其微电子/光电子器件的性能。

传统的过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结主要是通过逐次机械转移制备的。然而，该方法在转移过程中容易出现破损和褶皱，且转移媒介会造成器件界面缺陷和污染。此外，上述方法效率较低，不能实现大面积的六方氮化硼异质结的制备，无法适用于大规模器件的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种六方氮化硼异质结的制备方法及其六方氮化硼异质结。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种六方氮化硼异质结的制备方法，包括：

步骤1：在金属箔衬底上生长六方氮化硼薄膜；

步骤2：去除所述金属箔衬底，并将所述六方氮化硼薄膜转移至介质衬底上；

步骤3：将步骤2得到的样品经过退火处理后放入生长腔室中，同时在该生长腔室放入过渡金属二硫族化合物的前驱体；

步骤4：向所述生长腔室通入载气，以使所述过渡金属二硫族化合物的前驱体在所述六方氮化硼薄膜表面发生反应，得到过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结。

在本发明的一个实施例中，步骤1包括：

选取过渡金属材料作为金属箔衬底；

在低压条件下，采用硼烷氨络合物作为前驱体在所述金属箔衬底上生长六方氮化硼薄膜。

在本发明的一个实施例中，步骤2包括：

在所述六方氮化硼薄膜表面旋涂PMMA聚合物层，并将涂有PMMA的样品放置到热板上烘烤固化；

采用一定浓度的溶剂腐蚀掉所述金属箔衬底；

将所述六方氮化硼薄膜转移至介质衬底上，并用去离子水反复清洗；

去除样品表面的PMMA聚合物层。

在本发明的一个实施例中，所述金属箔衬底的材料为铜箔。

在本发明的一个实施例中，所述溶剂为FeCl

在本发明的一个实施例中，所述介质衬底为SiO

在本发明的一个实施例中，步骤3包括：

将步骤2得到的样品放入管式炉中，进行真空退火处理；其中，退火温度为250～400℃，退火压力为10

将经过真空退火的样品放入生长腔室中，并将生长过渡金属二硫族化合物的前驱体放入同一生长腔室中；其中，所述过渡金属二硫族化合物为二硒化钼。

在本发明的一个实施例中，所述二硒化钼的前驱体包括三氧化钼和硒粉，且两者的摩尔比为1:10～1:200。

在本发明的一个实施例中，步骤4包括：

在常压条件下向所述生长腔室通入氩气；

将所述二硒化钼的前驱体中的硒粉加热，以使三氧化钼和硒粉在所述六方氮化硼薄膜表面发生反应生成二硒化钼，得到二硒化钼与六方氮化硼异质结。

本发明的另一个实施例还提供了一种过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结，其由上述实施例提供的制备方法得到。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的制备方法能够直接在六方氮化硼薄膜上生长过渡金属二硫族化合物，以形成过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结，避免了传统机械转移方法易出现的破损、褶皱及转移媒介造成的界面缺陷和污染等问题；

2、本发明提供的制备方法效率较高，可以制备大面积过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结，且制备出的器件表现出了很好的均匀性和优异的本征特征，在二维材料的大规模器件应用方面具备广阔前景；

3、本发明提供的制备方法工艺简单、重复性好，制备过程对设备要求较低，易于实现工业化。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种六方氮化硼异质结的制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的采用铜箔衬底上生长的六方氮化硼薄膜的SEM图；

图3是本发明实施例提供的转移到SiO

图4是本发明实施例制备的二硒化钼与六方氮化硼异质结的SEM图；

图5是本发明实施例制备的二硒化钼与六方氮化硼异质结的拉曼图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种六方氮化硼异质结的制备方法流程示意图，包括一下步骤：

步骤1：在金属箔衬底上生长六方氮化硼薄膜。

1a)选取过渡金属材料作为金属箔衬底，例如铜、镍、铁、钴等。

1b)在低压条件下，采用硼烷氨络合物作为前驱体在金属箔衬底上生长六方氮化硼薄膜。

具体地，先将金属箔衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，然后利用高纯氮气吹干并进行电化学抛光和退火处理，将处理后的金属箔放入低压化学气相沉积腔室。将六方氮化硼前驱体放入石英套管中，置于低压气相沉积腔室的上游并加热，在载气的作用下向腔室中通入气化的前驱体；升高炉温，使六方氮化硼前驱体在金属箔衬底上发生反应，沉积六方氮化硼薄膜。

进一步地，本实施例采用硼烷氨络合物作为生长六方氮化硼的前驱体。其中，采用低压化学气相沉积生长六方氮化硼的温度为1040～1060℃，生长的压力为10～10

采用本实例制备六方氮化硼薄膜的方式无需高压环境，工艺简单，且制备过程对设备要求低，可以提高效率。

步骤2：去除金属箔衬底，并将六方氮化硼薄膜转移至介质衬底上，具体包括：

2a)在六方氮化硼薄膜表面旋涂PMMA聚合物层，并将涂有PMMA的样品放置到热板上烘烤固化。

在本实施例中，为了保护六方氮化硼薄膜，需在表面旋涂PMMA聚合物层，旋涂转速为1000～3000r/min。然后将涂有PMMA的样品放置到热板上烘烤固化，烘烤温度为80～100℃，烘烤时间为10～30min。

优选的，本实施例中选择烘烤温度为90℃，烘烤时间为15min。

2b)采用一定浓度的溶剂腐蚀掉金属箔衬底。

具体地，可根据金属箔衬底的种类选择相应的溶剂，例如，选用铜箔衬底，则可采用FeCl

进一步地，本实施例可采用摩尔浓度为0.5～0.6mol/L的FeCl

2c)将六方氮化硼薄膜转移至介质衬底上，并用去离子水反复清洗。

具体地，将六方氮化硼薄膜腐蚀掉金属箔一侧后转移至介质衬底上，利用去离子水反复清洗。其中，介质衬底可以是SiO

2d)去除样品表面的PMMA聚合物层。

具体地，将步骤2c)清洗过后的样品浸入丙酮中，溶解掉PMMA聚合物层。

步骤3：将步骤2得到的样品经过退火处理后放入生长腔室中，同时在该生长腔室放入过渡金属二硫族化合物的前驱体。

在本实施例中，在生长过渡金属二硫族化合物之前，需要先对样品进行退火处理。本实施例采用真空退火方式进行处理。经过退火处理可以去除六方氮化硼薄膜表面的残留聚合物，同时通过退火释放薄膜中的应力，使其表面更加平整。

首先，将步骤2得到的样品放入管式炉中，进行真空退火处理；其中，退火温度为250～400℃，退火压力为10

然后，将经过退火后的样品放入生长腔室的中间部位，同时将生长过渡金属二硫族化合物的前驱体放入该腔室的上游。

具体地，本实施例可采用二硒化钼作为过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼薄膜形成异质结。

二硒化钼作为一种常用的过渡金属二硫族化合物，具有多种优良特性，如双极性电导电、间接-直接带隙跃迁和强光致发光等，可用于实现高度稳定的可调谐双极性电荷激子以及强自旋-轨道耦合的自旋电子器件，其较窄带隙、较强的光学吸收和较快的光响应速度也非常适合应用于高性能光电子器件。

进一步地，本实施例采用三氧化钼和硒粉作为生长二硒化钼的前驱体，且两者的摩尔比为1:10～1:200。

具体地，将二硒化钼前驱体三氧化钼放置在化学气相沉积腔室中间，将硒粉放置在化学气相沉积腔室的上游。

步骤4：向生长腔室通入载气，以使过渡金属二硫族化合物的前驱体在六方氮化硼薄膜表面发生高温反应，得到过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结。

5a)在常压条件下向生长腔室通入氩气。

在本实施例中，载气可以是氩气，其流量为100sccm～300sccm，优选的，本实施例通入的氩气流量为150sccm。

5b)将二硒化钼的前驱体中的硒粉加热，以使三氧化钼和硒粉在六方氮化硼薄膜表面发生高温反应生成二硒化钼，得到二硒化钼与六方氮化硼异质结。

具体地，采用240～280℃的温度范围对硒粉进行加热，同时采用750～900℃的温度范围对三氧化钼进行加热，利用载气使其在六方氮化硼薄膜表面发生反应生成二硒化钼，得到二硒化钼与六方氮化硼异质结。其中，升温速率为10～20℃/min，生长时间为10～30min。至此，形成大面积的二硒化钼与六方氮化硼异质结。

本实施例通过将低压化学气相沉积生长的六方氮化硼薄膜从铜箔衬底转移到介质衬底上，然后利用常压化学气相沉积法在六方氮化硼薄膜表面生长二硒化钼，可直接形成大面积二硒化钼与六方氮化硼异质结，避免了传统机械转移方法易出现的破损、褶皱及转移媒介造成的界面缺陷和污染等问题；且制备出的异质结表现出了很好的均匀性和优异的本征特征，在二维材料的大规模器件应用方面具备广阔前景。

此外，本实施例以硼烷氨络合物为前驱体制备六方氮化硼，以三氧化钼和硒粉为前驱体制备二硒化钼，其制备方法相对简单、重复性好、无需高压环境，制备过程对设备要求低，易于实现工业化。

本发明的另一个实施例还提供了一种过渡金属二硫族化合物与六方氮化硼异质结，该结构可由上述方法制备得到。详细过程在此不再赘述。

实施例二

下面以制备二硒化钼与六方氮化硼异质结为例对本发明的制备方法进行说明。本实施例选用铜箔作为金属箔衬底材料。具体包括：

S1：将铜箔衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，并将处理后的金属箔放入低压化学气相沉积腔室。

S2：将硼烷氨络合物放入石英套管中，置于低压气相沉积腔室的上游，在载气的作用下向腔室中通入气化的前驱体，设定生长温度为1050℃，压强为100Pa，时间为30min，使得前驱体在铜箔衬底上发生反应，得到六方氮化硼薄膜。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的采用铜箔衬底上生长的六方氮化硼薄膜的SEM图。从图2可以看到，薄膜表面十分均匀平整。

S3：在六方氮化硼薄膜表面旋涂PMMA聚合物层，并将涂有PMMA的样品放置到热板上烘烤固化。

S4：将涂有PMMA的样品放入摩尔浓度为0.6mol/L的FeCl

请参见图3，图3是本发明实施例提供的转移到SiO

S5：将具有六方氮化硼薄膜的介质衬底放入管式炉中，设置温度为300℃，压力为10

S6：将转移了六方氮化硼薄膜并经过真空退火处理的介质衬底放入生长腔室中，将生长二硒化钼的前驱体放入同一生长腔室中；其中，生长二硒化钼的前驱体中的三氧化钼和硒粉的摩尔比为1:100。

S7：向生长腔室中通入载气，并加热硒粉和三氧化钼，采用常压化学气相沉积法生长二硒化钼；其中，硒粉的加热温度为260℃，三氧化钼的加热温度为800℃，升温速率为15℃/min，生长时间为20min。

至此，得到二硒化钼/六方氮化硼异质结。请参见图4，图4是本发明实施例制备的二硒化钼与六方氮化硼异质结的SEM图。从图4可以清晰的观察到二硒化钼晶畴，说明采用本发明的方法制备的异质结表现出了很好的均匀性。

此外，为了进一步验证本发明制备的异质结的质量，下面对本发明制备的图4中二硒化钼与六方氮化硼异质结进行了拉曼光谱分析。请参见图5，图5是本发明实施例制备的二硒化钼与六方氮化硼异质结的拉曼图谱，其中，主图中的曲线对应二硒化钼，插图中的曲线对应六方氮化硼。由图5可以分别看到二硒化钼和六方氮化硼的特征峰，证明异质结中两种材料的晶体质量都很好。

综上所述，本发明提供的二硒化钼与六方氮化硼异质结的制备方法，能够直接在六方氮化硼薄膜上直接生长二硒化钼，获得二硒化钼与六方氮化硼异质结，避免了传统方法转移过程中出现的破损、褶皱及转移媒介造成的界面缺陷和污染等问题。本发明具有很好的可控性和重复性，制备的薄膜表面平整、均匀性好；制备方法简易、低成本，易于引入实际工业生产当中。制备的二硒化钼与六方氮化硼异质结在二维材料的基础研究以及大规模电子器件应用中都具有十分重要的意义。

需要说明的是，虽然本实施例提供了包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。