[发明专利]大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜及制备方法

说明书

本发明提供一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法。所述制备方法包括：将经过抛光平整处理的衬底置于支撑平面上，并使所述衬底与所述支撑平面形成0.5～15.0μm的间隙；将放置有所述衬底的所述支撑平面置于低压化学气相沉积腔室内，在缓冲气体保护氛围下对所述衬底进行退火处理；向所述低压化学气相沉积腔室中通入六方氮化硼前躯体，以低压化学气相沉积法使所述六方氮化硼前躯体在所述衬底与所述支撑平面正相对的表面发生反应生长成六方氮化硼单晶或薄膜。本发明方法获得的单层六方氮化硼薄膜尺寸大、具有原子级的平整度、晶界密度低、无悬挂键，是一种理想的二维材料衬底材料，在电子工业领域具有广泛地应用前景。

技术领域

本发明属于六方氮化硼技术领域，具体涉及一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜及制备方法。

背景技术

自2010年Andre Geim和Kostya Novosolov获得诺贝尔物理学奖之后，石墨烯及其他二维材料迅速成为当前材料研究中的热点领域之一。在二维材料的众多潜在应用中，针对其超薄性，透明性及柔性的研究，已经处于研究的最前沿。由二维材料制备得到的低功耗晶体管，具有很高的载流子迁移率和开关比，并有希望突破摩尔定律的限制，因此，二维材料技术被认为是有望取代硅半导体的新一代半导体技术。然而，由于二维材料的原子尺度厚度无法支撑自身，所以需要使用其他材料作为支撑。目前所使用的块状支持衬底，会大幅降低其性能，例如，使用SiO₂/Si作为Graphene的衬底，由于SiO₂表面的悬空键和粗糙度，会导致电子散射，所以会大大降低其载流子迁移率。六方氮化硼具有原子级的平整度，没有悬挂键，良好的绝缘性能和柔性，可作为其他二维材料的衬底材料，例如可以作为石墨烯(Graphene)、黑磷(Black Phosphorus)、硒化铟 (InSe)及过渡金属硫属化物(TMDCs)等的衬底材料，并可大幅提升器件的电子传输性能及稳定性。具体地，若使用六方氮化硼作为Graphene的支撑衬底，可使 Graphene的载流子迁移率，至少比在SiO₂/Si衬底上高一个数量级。因此，六方氮化硼作为一种优异的二维材料衬底材料，对二维材料在电子工业领域的应用和发展具有重要意义。

目前，六方氮化硼薄膜的合成主要有液相剥离法、机械剥离法和化学气相沉积法等。其中，液相剥离法和机械剥离法的可控性差，无法得到大尺寸、层数均一的六方氮化硼薄膜；化学气相沉积法(CVD)是制备高质量六方氮化硼薄膜的潜在方法之一，但与逐步成熟的石墨烯(Graphene)化学气相沉积工艺相比，对六方氮化硼的研究尚处于起步阶段，对其生长机理尚不清楚，众多可用于石墨烯薄膜及单晶的生长方法，无法应用于六方氮化硼的生长，所以六方氮化硼单晶及薄膜的合成仍然面临可控性差，尺寸小，缺陷密度高等问题。因此，如何制备大面积、高质量的六方氮化硼单晶及薄膜，仍是六方氮化硼面临的首要问题。

化学气相沉积法制备六方氮化硼薄膜，可分为常压化学气相沉积法 (APCVD)和低压化学气相沉积法(LPCVD)两种，LPCVD法在薄膜均一性和层数控制方面具有广泛优势，是目前制备六方氮化硼薄膜的主要方法。然而，在众多采用LPCVD法制备六方氮化硼的研究中，即使建立在生长衬底，复杂处理过程的基础上，仍然难以有效地降低六方氮化硼在衬底上的形核密度，如图1 所示。六方氮化硼在催化衬底上的高成核密度，使最终得到的六方氮化硼薄膜的晶界密度很高，均一性变差，如图2所示。高晶界密度、均一性差的六方氮化硼薄膜，不仅大大降低了其机械强度，而且使其介电性能大打折扣，从而进一步限制了六方氮化硼薄膜的应用。

发明内容

针对目前六方氮化硼制备方法中，高形核密度获得的单晶尺寸小导致晶界密度高、均一性差、机械强度低、介电性能差、无法获得大尺寸薄膜等问题，本发明提供一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法。

以及，由上述制备方法获得的大尺寸单层六方氮化硼薄膜。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种大尺寸单层六方氮化硼单晶或薄膜的制备方法，至少包括以下步骤：