Syntéza hexagonálního nitridu boru - Synthesis of hexagonal boron nitride

Dvourozměrný hexagonální nitrid boru (2D h-BN) je materiál srovnatelné struktury jako grafen s potenciálními aplikacemi např. fotonika.,[1] palivové články [2] a jako substrát pro dvourozměrné heterostruktury.[3] 2D h-BN je izostrukturální na grafen, ale tam, kde je grafen vodivý, je 2D h-BN velkou mezerou izolátor.[3]

Vlastnosti 2D filmů h-BN do značné míry závisí na kvalitě těchto filmů. Bylo náročné syntetizovat vysoce kvalitní 2D h-BN na velkých plochách.[3]Zejména malá velikost zrna polykrystalického h-BN vede k mnoha hranice zrn, které vytvářejí lapače nábojů a vyšší drsnost povrchu.

Produkci 2D h-BN lze rozdělit na vzhůru nohama a přístupy zdola nahoru. U metod zdola nahoru se film pěstuje nebo ukládá na povrch; v metodách shora dolů se zmenší větší struktura, dokud není dosaženo požadovaného stavu nebo struktury.

Metody shora dolů

Obecnou myšlenkou přístupů shora dolů je vzít hromadný h-BN, prolomit Van der Waalsovy síly mezi šestiúhelníkovými vrstvami a oddělte výsledné dvourozměrné listy h-BN. Tyto techniky se skládají hlavně z metod mechanické a chemické exfoliace.[3]

Při mechanické exfoliaci jsou atomové vrstvy h-BN fyzicky navzájem taženy nebo odděleny. Například použití běžné lepicí pásky k odloupnutí grafenových listů je jednou z nejznámějších metod mechanické exfoliace[4] a podobné techniky lze také použít k vytvoření listů h-BN.[5] Obecně lze metody mechanické exfoliace považovat za jednoduché způsoby výroby nanosheetů h-BN, ale jejich výtěžek může být malý [6] a velikost zhotovených struktur je obvykle omezená.[3] Na druhé straně bylo zjištěno, že počet defektů na vyrobených nanosetách je menší ve srovnání s chemickými metodami.[7]

Chemická exfoliace se provádí v kapalných rozpouštědlech, jako je dichlorethan[8] a dimethylformamid.[9] Sonikace se používá k rozbití Van der Waalsových sil v krystalech h-BN, což umožňuje molekulám rozpouštědla expandovat atomové vrstvy.[7] Tyto metody jsou poměrně jednoduché a mohou také poskytnout vyšší výtěžek ve srovnání s mechanickým odlupováním, i když jsou vzorky snadno kontaminovány.[6]

Metody zdola nahoru

Chemická depozice par

Chemická depozice par (CVD) je metoda chemické depozice zdola nahoru používaná ke konstrukci vysoce kvalitních materiálů nanoměřítkové filmy. U CVD je substrát vystaven prekurzory, které reagují na povrchu plátku a vytvářejí požadovaný film. Tato reakce často vede také k toxickým vedlejším produktům. Historicky se pro tenkou depozici h-BN na přechodné kovy používalo ultra vysoké vakuum CVD (UHVCVD).[10] V poslední době byla CVD h-BN úspěšná také na kovových površích při vyšších tlacích.[11]

CVD závisí na použití reaktivních prekurzorů. Pro h-BN jsou na výběr plynné, kapalné a pevné látky, z nichž každá má své výhody a nevýhody. Plynné prekurzory, například BF3/ NH3, BCl3/ NH3a B.2H6/ NH3, jsou toxické a vyžadují pečlivé poměry plynů k zachování B / N 1: 1 stechiometrie.[12] Tekuté prekurzory, jako např borazin, mají stejné množství boru a dusíku a neprodukují vysoce toxické vedlejší produkty. Jsou však citlivé na vlhkost a hydrolyzovat snadno.[13] Této nevýhodě lze čelit zvýšením teploty, ale vyšší teploty také vedou ke zvýšení rychlosti reakce. A konečně, pro pevné prekurzory, borazan je stabilní a má stechiometrii B / N 1: 1. Jeho nevýhodou je jeho rozklad na vysoce aktivní BH2NH2, který polymeruje při pokojové teplotě. Čistý borazan následně nefunguje jako prekurzor a měl by být smíchán s BH2NH2 a borazin.[7]

CVD se dělí podle provozních podmínek na atmosférický tlak CVD (APCVD), nízkotlaký CVD (LPCVD) a ultra vysoký vakuový CVD. Vyšší vakuum vyžaduje sofistikovanější vybavení a vyšší provozní náklady, zatímco vyšší tlaky přinášejí rychlejší růst. U h-BN nebyl APCVD schopen přesně řídit počet vrstev. K výrobě velkoplošných monovrstev h-BN je v současné době zapotřebí alespoň LPCVD.[14]

Volba Podklad v CVD je důležité, protože vyráběný film musí přilnout k povrchu. V h-BN, jako v grafenu, přechodné kovy jako Cu nebo Ni jsou populární volbou pro materiály substrátu CVD. Platina byla také použita jako oplatka,[15] jak má železnou fólii [16] a kobalt.[17] Nevýhodou je katalytické přechodových kovů oplatkových materiálů je potřeba přenést konečný výsledek na cílový substrát, jako je křemík. Tento postup často poškozuje nebo kontaminuje film. Některé filmy h-BN byly pěstovány na Si,[18] SiO2/ Si,[18] a safír [19]

Orientace domén na filmu h-BN je ovlivněna volbou materiálu substrátu a jeho orientací. Domény jsou obvykle trojúhelníkové v LPCVD a trojúhelníkové, zkrácené trojúhelníkové nebo šestihranné v APCVD. Často jsou tyto domény náhodně orientované, ale domény h-BN se striktně srovnávají s povrchovými mřížkami mědi (100) nebo (111).[20] U Cu (110) je zarovnání méně přísné, ale stále silné na milimetrové vzdálenosti.[21]

Fyzikální depozice par

Prskání

v prskání, pevný terč požadovaného filmového materiálu je bombardován energetickými částicemi, takže na destičce obrácené k cíli může být vytvořen tenký film. K rozprašování h-BN na Cu fólie se používaly iontové paprsky Ar, což vedlo k vysoce kvalitním několikavrstvým filmům,[22] a magnetronové rozprašování B v N2 / Ar bylo použito k pěstování vysoce kvalitního h-BN na Ru.[23] Výsledkem tohoto procesu jsou filmy o tloušťce dvou atomových vrstev; silnější filmy lze pěstovat střídáním cyklů depozice a žíhání při pokojové teplotě.

Společná segregace

Když je zdroj boru a dusíku, jako je amorfní BN, vložen mezi Co nebo Ni film a SiO2, je možné pěstovat atomově tenký h-BN film na kovovém povrchu žíháním heterostruktury ve vakuu. Atomy B a N se rozpustí v kovové formě, difundují filmem a vysrážejí se na povrchu.[24] Tímto způsobem se zabrání použití nekonvenčních nebo toxických prekurzorů.

Jiné metody

v epitaxe molekulárního paprsku (MBE) zahřívané plynné prvky mohou kondenzovat na destičce. MBE se používá k pěstování h-BN filmů z elementárních B a N na Ni fóliích.[25]

Roztavený oxid boritý reaguje s plynným amoniakem za vzniku ultratenkého filmu h-BN na reakčním rozhraní.[26] Film dorůstá do tloušťky 20 - 30 nm, poté se proces sám ukončí, nastavení se ochladí a oxid boritý lze rozpustit ve vodě.

Reference

  1. ^ Andres Castellanos-Gomez (2016). "Proč ten rozruch kolem 2D polovodičů?". Fotonika přírody. 10 (4): 202–204. arXiv:1604.06425. Bibcode:2016NaPho..10..202C. doi:10.1038 / nphoton.2016.53. S2CID  118543165.
  2. ^ Hu, S .; et al. (2014). „Protonový transport skrz krystaly tlusté jedním atomem“. Příroda. 516 (7530): 227–230. arXiv:1410.8724. Bibcode:2014 Natur.516..227H. doi:10.1038 / příroda14015. PMID  25470058. S2CID  4455321.
  3. ^ A b C d E Wang, H .; et al. (2017). "Nedávný pokrok v syntéze dvourozměrného hexagonálního nitridu boru". Journal of Semiconductors. 38 (3): 031003. Bibcode:2017JSemi..38c1003W. doi:10.1088/1674-4926/38/3/031003.
  4. ^ Novoselov K. S .; et al. (2004). "Efekt elektrického pole v atomově tenkých uhlíkových filmech". Věda. 306 (5696): 666–669. arXiv:cond-mat / 0410550. Bibcode:2004Sci ... 306..666N. doi:10.1126 / science.1102896. PMID  15499015. S2CID  5729649.
  5. ^ Novoselov K. S .; et al. (2005). „Dvojrozměrné atomové krystaly“. 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. ^ A b Xu M. S .; et al. (2013). "Grafenovité dvourozměrné materiály". Chem. Rev. 113 (5): 3766–3798. doi:10.1021 / cr300263a. PMID  23286380.
  7. ^ A b C Bao, Jie; et al. (2016). „Syntéza a aplikace dvourozměrného hexagonálního nitridu boru ve výrobě elektroniky“. Dopisy elektronických materiálů. 12 (1): 1–16. Bibcode:2016EML .... 12 .... 1B. doi:10.1007 / s13391-015-5308-2. S2CID  135897866.
  8. ^ Warner J. H .; et al. (2010). "Zobrazování atomového rozlišení a topografie listů nitridu boru vyrobených chemickou exfoliací". ACS Nano. 4 (3): 1299–1304. doi:10.1021 / nn901648q. PMID  20148574.
  9. ^ Zhi C .; et al. (2009). „Výroba ve velkém měřítku z několika atomových vrstev nitridu boritého nanosheety a jejich využití v polymerních kompozitech se zlepšenými tepelnými a mechanickými vlastnostmi“. Adv. Mater. 21 (28): 2889–2893. doi:10.1002 / adma.200900323.
  10. ^ Nagashima, A .; et al. (1995). "Elektronická struktura monovrstevného hexagonálního nitridu boru, který je fyzi-kován na kovových površích". Dopisy o fyzické kontrole. 75 (21): 3918–3921. Bibcode:1995PhRvL..75,3918N. doi:10.1103 / PhysRevLett.75.3918. PMID  10059764.
  11. ^ Kim, G .; et al. (2013). „Růst vysoce krystalického jednovrstvého hexagonálního nitridu boru na recyklovatelné platinové fólii“. Nano dopisy. 13 (4): 1834–1839. Bibcode:2013NanoL..13.1834K. doi:10.1021 / nl400559s. PMID  23527543.
  12. ^ Pierson, Hugh O. (1975). "Kompozity nitridu boritého chemickým depozicí par". Journal of Composite Materials. 9 (3): 228–240. doi:10.1177/002199837500900302. OSTI  4146652. S2CID  136710862.
  13. ^ Sun, Yongzhou; et al. (2015). „Chování rozloženého amoniaku boranu při vysokém tlaku“. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 84: 75–79. Bibcode:2015JPCS ... 84 ... 75S. doi:10.1016 / j.jpcs.2014.12.004.
  14. ^ Koepke, Justic C .; et al. (2016). „Role tlaku v růstu tenkých vrstev hexagonálního nitridu boru z amoniak-boranu“. Chemie materiálů. 28 (2): 4169–4179. arXiv:1605.06861. doi:10.1021 / acs.chemmater.6b00396. S2CID  49522256.
  15. ^ Gao, Yang; et al. (2013). „Opakovaný a kontrolovaný růst jednovrstvého, dvojvrstevného a několikvrstvého hexagonálního nitridu boru na fóliích Pt“. ACS Nano. 7 (6): 5199–5206. doi:10.1021 / nn4009356. PMID  23663007.
  16. ^ Kim SM; et al. (2015). „Syntéza velkoplošného vícevrstvého hexagonálního nitridu boru pro vysoký výkon materiálu“. Příroda komunikace. 6: 8662. Bibcode:2015NatCo ... 6 8662 tis. doi:10.1038 / ncomms9662. PMC  4639899. PMID  26507400.
  17. ^ Orofeo, Carlo M .; et al. (2013). "Růst a nízkoenergetická elektronová mikroskopie charakterizace monovrstevného hexagonálního nitridu boru na epitaxním kobaltu". Nano výzkum. 6 (5): 335–347. doi:10.1007 / s12274-013-0310-1. S2CID  136687731.
  18. ^ A b Yu, Jie; et al. (2010). „Vertikálně zarovnané nanosety nitridu boru: chemická syntéza par, emise ultrafialového světla a superhydrofobicita“. ACS Nano. 4 (1): 414–422. doi:10.1021 / nn901204c. PMID  20047271.
  19. ^ Jang, A-Rang; et al. (2016). „Wafer-Scale and Wrinkle-Free Epitaxial Growth of Single-Orientated Multilayer Hexagonal Boron Nitride on Sapphire“. Nano dopisy. 16 (5): 3360–3366. Bibcode:2016NanoL..16.3360J. doi:10.1021 / acs.nanolett.6b01051. PMID  27120101.
  20. ^ Liu, Lei; et al. (2014). „Neobvyklá role interakcí epilayer-substrát při určování orientačních vztahů při van der Waalsově epitaxi“. 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). "Syntéza vyrovnaných symetrických mnohostranných monovrstevných hexagonálních monokrystalů nitridu bóru na resolidifikované mědi". Nanoměřítko. 8 (4): 2434–2444. Bibcode:2016Nanos ... 8.2434T. doi:10.1039 / C5NR08036C. PMID  26753762.
  22. ^ Wang, H .; et al. (2015). „Řízený růst málovrstvého hexagonálního nitridu boru na měděných fóliích pomocí depozice iontovým paprskem rozprašováním“. Malý. 11 (13): 1542–1547. doi:10,1002 / smll.201402468. PMID  25367702.
  23. ^ Sutter, P .; et al. (2013). „Škálovatelná syntéza rovnoměrných málovrstvých hexagonálních dielektrických filmů s nitridem boru“. Nano dopisy. 13 (1): 276–281. Bibcode:2013NanoL..13..276S. doi:10.1021 / nl304080y. PMID  23244762.
  24. ^ Suzuki, Satoru; et al. (2012). "Růst atomově tenkých hexagonálních filmů nitridu boru difúzí kovovým filmem a srážením". J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (38): 385304. Bibcode:2012JPhD ... 45L5304S. doi:10.1088/0022-3727/45/38/385304.
  25. ^ Nakhaie, S .; et al. (2015). "Syntéza atomově tenkých hexagonálních filmů nitridu boru na niklových fóliích pomocí epitaxe molekulárním paprskem". 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). „Snadná syntéza ultratenkých hexagonálních BN filmů s velkou plochou prostřednictvím samoregulačního růstu na roztaveném povrchu B2O3“. Malý. 9 (8): 1353–8. doi:10,1002 / smll.201203126. PMID  23494990.