Синтез гексагонального нитрида бора
Двумерный гексагональный нитрид бора (2D h-BN) представляет собой материал, сравнимый по структуре с графеном и имеющий потенциальное применение, например, в фотонике . [ 1 ] топливные элементы [ 2 ] и в качестве подложки для двумерных гетероструктур . [ 3 ] 2D h-BN изоструктурен графену, но там, где графен является проводящим, 2D h-BN представляет собой широкозонный изолятор . [ 3 ]
Свойства 2D-пленок h-BN во многом зависят от качества пленок. Синтезировать высококачественный 2D h-BN на больших площадях было непросто. [ 3 ] В частности, небольшой размер зерна поликристаллического h-BN приводит к образованию множества границ зерен , которые создают ловушки заряда и повышают шероховатость поверхности.
Производство 2D h-BN можно разделить на нисходящий и восходящий подходы . При восходящих методах пленка выращивается или наносится на поверхность; в нисходящих методах более крупная структура уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое состояние или структура.
Нисходящие методы
[ редактировать ]Общая идея нисходящего подхода состоит в том, чтобы взять объемный h-BN, разрушить силы Ван-дер-Ваальса между гексагональными слоями и разделить полученные двумерные листы h-BN. Эти методы в основном состоят из механических и химических методов отшелушивания. [ 3 ]
При механическом отшелушивании атомные листы h-BN физически вытягиваются или отделяются друг от друга. Например, использование обычной клейкой ленты для отделения листов графена — один из самых известных методов механического отшелушивания. [ 4 ] и аналогичные методы также можно использовать для создания листов h-BN. [ 5 ] Вообще говоря, методы механического отшелушивания можно рассматривать как простые способы изготовления нанолистов h-BN, но их выход может быть небольшим. [ 6 ] а размер изготавливаемых конструкций обычно ограничен. [ 3 ] С другой стороны, количество дефектов в полученных нанолистах оказалось меньше по сравнению с химическими методами. [ 7 ]
Химический пилинг проводится в жидких растворителях, таких как дихлорэтан. [ 8 ] и диметилформамид. [ 9 ] Обработка ультразвуком используется для разрушения сил Ван-дер-Ваальса в кристаллах h-BN, что позволяет молекулам растворителя расширять атомные слои. [ 7 ] Эти методы достаточно просты и также могут обеспечить более высокий выход по сравнению с механическим отшелушиванием, хотя образцы легко загрязняются. [ 6 ]
Восходящие методы
[ редактировать ]Химическое осаждение из паровой фазы
[ редактировать ]Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — это восходящий метод химического осаждения, используемый для создания высококачественных наноразмерных пленок . При CVD подложка подвергается воздействию прекурсоров , которые реагируют на поверхность пластины, образуя желаемую пленку. Эта реакция часто также приводит к образованию токсичных побочных продуктов. Исторически метод CVD в сверхвысоком вакууме (UHVCVD) использовался для тонкого осаждения h-BN на переходные металлы. [ 10 ] Совсем недавно CVD h-BN также оказался успешным на металлических поверхностях при более высоких давлениях. [ 11 ]
ССЗ зависят от использования реактивных прекурсоров. Для h-BN на выбор доступны газообразные, жидкие и твердые варианты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Газообразные предшественники, 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 предшественники, такие как боразин , содержат равное количество бора и азота и не производят высокотоксичных побочных продуктов. Однако они чувствительны к влаге и гидролизуются . легко [ 13 ] Этому недостатку можно устранить, повышая температуру, но более высокие температуры также приводят к увеличению скорости реакции. Наконец, что касается твердых предшественников, боразан стабилен и имеет стехиометрию B/N 1:1. Его недостатком является разложение на высокоактивный BH 2 NH 2 , который полимеризуется при комнатной температуре. Следовательно, чистый боразан не работает в качестве предшественника, и его следует смешивать с BH 2 NH 2 и боразином. [ 7 ]
По условиям эксплуатации CVD подразделяется на CVD при атмосферном давлении (APCVD), CVD низкого давления (LPCVD) и CVD сверхвысокого вакуума. Более высокий вакуум требует более сложного оборудования и более высоких эксплуатационных затрат, в то время как более высокое давление приводит к более быстрому росту. 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 для CVD важен, так как производимая пленка должна прилипать к поверхности. В h-BN, как и в графене, переходные металлы, такие как Cu или Ni, являются популярным выбором в качестве материалов подложек CVD. Платину также использовали в качестве пластин. [ 15 ] как и железная фольга [ 16 ] и кобальт. [ 17 ] Недостатком каталитических пластинчатых материалов 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 сапфир [ 19 ]
На ориентацию доменов на пленке h-BN влияет выбор материала подложки и ее ориентация. Обычно домены имеют треугольную форму при LPCVD и треугольную, усеченно-треугольную или шестиугольную форму при APCVD. Часто эти домены ориентированы случайным образом, но домены h-BN строго ориентированы по поверхностным решеткам меди (100) или (111). [ 20 ] При использовании Cu (110) выравнивание менее строгое, но все же прочное на расстояниях до миллиметра. [ 21 ]
Физическое осаждение из паровой фазы
[ редактировать ]Напыление
[ редактировать ]При распылении твердая мишень из желаемого пленочного материала бомбардируется энергичными частицами, так что на пластине, обращенной к мишени, можно получить тонкую пленку. Пучки ионов аргона использовались для напыления h-BN на медную фольгу, в результате чего были получены высококачественные многослойные пленки. [ 22 ] а магнетронное распыление B в N2/Ar использовалось для выращивания высококачественного h-BN на Ru. [ 23 ] В результате этого процесса образуются пленки толщиной в два атомных слоя; более толстые пленки можно вырастить путем чередования циклов осаждения и отжига при комнатной температуре.
Совместная сегрегация
[ редактировать ]Когда источник бора и азота, такой как аморфный BN, находится 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 можно избежать использования нетрадиционных или токсичных прекурсоров.
Другие методы
[ редактировать ]При молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) нагретые газообразные элементы могут конденсироваться на пластине. МЛЭ использовался для выращивания пленок h-BN из элементарных B и N на никелевой фольге. [ 25 ]
Расплавленный оксид бора реагирует с газообразным аммиаком, образуя ультратонкую пленку h-BN на границе раздела реакции. [ 26 ] Пленка вырастает до толщины 20-30 нм, после чего процесс самозавершается, установку охлаждают и оксид бора можно растворить в воде.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Андрес Кастельянос-Гомес (2016). «К чему весь этот шум вокруг 2D-полупроводников?». Природная фотоника . 10 (4): 202–204. arXiv : 1604.06425 . Бибкод : 2016NaPho..10..202C . дои : 10.1038/nphoton.2016.53 . S2CID 118543165 .
- ^ Ху, С.; и др. (2014). «Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом». Природа . 516 (7530): 227–230. arXiv : 1410.8724 . Бибкод : 2014Natur.516..227H . дои : 10.1038/nature14015 . ПМИД 25470058 . S2CID 4455321 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ван, Х.; и др. (2017). «Последние успехи в синтезе двумерного гексагонального нитрида бора». Журнал полупроводников . 38 (3): 031003. Бибкод : 2017JSemi..38c1003W . дои : 10.1088/1674-4926/38/3/031003 . S2CID 114354828 .
- ^ Новоселов К.С.; и др. (2004). «Эффект электрического поля в атомно тонких углеродных пленках». Наука . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat/0410550 . Бибкод : 2004Sci...306..666N . дои : 10.1126/science.1102896 . ПМИД 15499015 . S2CID 5729649 .
- ^ Новоселов К.С.; и др. (2005). «Двумерные атомные кристаллы» . Proc Natl Acad Sci США . 102 (30): 10451–10453. arXiv : cond-mat/0503533 . Бибкод : 2005PNAS..10210451N . дои : 10.1073/pnas.0502848102 . ПМК 1180777 . ПМИД 16027370 .
- ^ Перейти обратно: а б Сюй М.С.; и др. (2013). «Графеноподобные двумерные материалы». хим. Преподобный . 113 (5): 3766–3798. дои : 10.1021/cr300263a . ПМИД 23286380 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бао, Цзе; и др. (2016). «Синтез и применение двумерного гексагонального нитрида бора в производстве электроники». Электронные материалы Письма . 12 (1): 1–16. Бибкод : 2016EML....12....1B . дои : 10.1007/s13391-015-5308-2 . S2CID 135897866 .
- ^ Уорнер Дж. Х.; и др. (2010). «Визуализация с атомным разрешением и топография листов нитрида бора, полученных методом химического расслоения». АСУ Нано . 4 (3): 1299–1304. дои : 10.1021/nn901648q . ПМИД 20148574 .
- ^ Чжи С.; и др. (2009). «Массовое производство малоатомных слоев нитрида бора нанолистов и их использование в полимерных композитах с улучшенными термическими и механическими свойствами». Адв. Мэтр . 21 (28): 2889–2893. дои : 10.1002/adma.200900323 . S2CID 95785929 .
- ^ Нагашима, А.; и др. (1995). «Электронная структура монослойного гексагонального нитрида бора, физически адсорбированного на металлических поверхностях». Письма о физических отзывах . 75 (21): 3918–3921. Бибкод : 1995PhRvL..75.3918N . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.3918 . ПМИД 10059764 .
- ^ Ким, Г.; и др. (2013). «Выращивание высококристаллического однослойного гексагонального нитрида бора на перерабатываемой платиновой фольге». Нано-буквы . 13 (4): 1834–1839. Бибкод : 2013NanoL..13.1834K . дои : 10.1021/nl400559s . ПМИД 23527543 .
- ^ Пирсон, Хью О. (1975). «Композиты из нитрида бора методом химического осаждения из паровой фазы». Журнал композиционных материалов . 9 (3): 228–240. Бибкод : 1975JCoMa...9..228P . дои : 10.1177/002199837500900302 . ОСТИ 4146652 . S2CID 136710862 .
- ^ Сунь, Юнчжоу; и др. (2015). «Поведение разложившегося аммиачного борана при высоком давлении» . Журнал физики и химии твердого тела . 84 : 75–79. Бибкод : 2015JPCS...84...75S . дои : 10.1016/j.jpcs.2014.12.004 .
- ^ Кепке, Джастик К.; и др. (2016). «Роль давления в росте тонких пленок гексагонального нитрида бора из аммиак-борана». Химия материалов . 28 (2): 4169–4179. arXiv : 1605.06861 . doi : 10.1021/acs.chemmater.6b00396 . S2CID 49522256 .
- ^ Гао, Ян; и др. (2013). «Многократный и контролируемый рост однослойного, двухслойного и малослойного гексагонального нитрида бора на платиновой фольге» . АСУ Нано . 7 (6): 5199–5206. дои : 10.1021/nn4009356 . ПМИД 23663007 .
- ^ Ким С.М.; и др. (2015). «Синтез многослойного гексагонального нитрида бора большой площади для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик материала» . Природные коммуникации . 6 : 8662. Бибкод : 2015NatCo...6.8662K . дои : 10.1038/ncomms9662 . ПМЦ 4639899 . ПМИД 26507400 .
- ^ Орофео, Карло М.; и др. (2013). «Выращивание и характеристика низкоэнергетической электронной микроскопии монослоя гексагонального нитрида бора на эпитаксиальном кобальте». Нано-исследования . 6 (5): 335–347. дои : 10.1007/s12274-013-0310-1 . S2CID 136687731 .
- ^ Перейти обратно: а б Ю, Цзе; и др. (2010). «Вертикально ориентированные нанолисты нитрида бора: химический синтез в паровой фазе, излучение ультрафиолетового света и супергидрофобность». АСУ Нано . 4 (1): 414–422. дои : 10.1021/nn901204c . ПМИД 20047271 .
- ^ Джанг, А-Ранг; и др. (2016). «Эпитаксиальный рост одноориентированного многослойного гексагонального нитрида бора на сапфире в масштабе пластины и без складок». Нано-буквы . 16 (5): 3360–3366. Бибкод : 2016NanoL..16.3360J . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b01051 . ПМИД 27120101 .
- ^ Лю, Лей; и др. (2014). «Необычная роль взаимодействия эпитаксии с подложкой в определении ориентационных отношений в ван-дер-ваальсовой эпитаксии» . Proc Natl Acad Sci США . 111 (47): 16670–16675. Бибкод : 2014PNAS..11116670L . дои : 10.1073/pnas.1405613111 . ПМК 4250159 . ПМИД 25385622 .
- ^ Тай, Роланд Инцзе; и др. (2016). «Синтез ориентированных симметричных многогранных монослойных гексагональных монокристаллов нитрида бора на повторно затвердевшей меди». Наномасштаб . 8 (4): 2434–2444. Бибкод : 2016Nanos...8.2434T . дои : 10.1039/C5NR08036C . ПМИД 26753762 .
- ^ Ван, Х.; и др. (2015). «Контролируемый рост нескольких слоев гексагонального нитрида бора на медной фольге с использованием ионно-лучевого осаждения». Маленький . 11 (13): 1542–1547. дои : 10.1002/smll.201402468 . ПМИД 25367702 .
- ^ Саттер, П.; и др. (2013). «Масштабируемый синтез однородных многослойных гексагональных диэлектрических пленок нитрида бора». Нано-буквы . 13 (1): 276–281. Бибкод : 2013NanoL..13..276S . дои : 10.1021/nl304080y . ПМИД 23244762 .
- ^ Сузуки, Сатору; и др. (2012). «Выращивание атомарно тонких гексагональных пленок нитрида бора путем диффузии через металлическую пленку и осаждения». Дж. Физ. Д: Прил. Физ . 45 (38): 385304. Бибкод : 2012JPhD...45L5304S . дои : 10.1088/0022-3727/45/38/385304 . S2CID 94163863 .
- ^ Нахайе, С.; и др. (2015). «Синтез атомно тонких гексагональных пленок нитрида бора на никелевой фольге методом молекулярно-лучевой эпитаксии». Прил. Физ. Летт . 106 (21): 213108. arXiv : 1501.06606 . Бибкод : 2015ApPhL.106u3108N . дои : 10.1063/1.4921921 . S2CID 32683376 .
- ^ Ян, X.; и др. (2013). «Простой синтез ультратонких гексагональных пленок BN большой площади путем самоограничивающегося роста на расплавленной поверхности B2O3». Маленький . 9 (8): 1353–8. дои : 10.1002/smll.201203126 . ПМИД 23494990 .