以过渡金属为缓冲层的六方氮化硼薄膜生长的研究

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六方氮化硼(h-BN)是一种人工合成具有类石墨结构的半导体材料,其与石墨烯的晶格失配率仅为1.7%,因此常常被用来作为生长石墨烯的绝佳衬底材料。作为一种宽禁带半导体材料,h-BN具有电阻率高、耐热和抗辐射等特性。此外,其介电强度高达8MV/cm,本征吸收边位于深紫外区,因此是一种非常有应用前景的光电子和电子材料。但是由于h-BN的生长工艺还处于探索阶段,目前制备的外延薄膜和单晶存在结晶质量较差和尺寸较小缺点,因此优化生长工艺来获得高质量、大尺寸的h-BN成为了研究的热点。本文主要提出了一种新的生长工艺制备六方氮化硼薄膜,即以过渡金属为缓冲层进行六方氮化硼薄膜生长,系统地研究了不同过渡金属缓冲层、生长温度和退火工艺对h-BN薄膜结晶质量的影响。主要的研究内容和结果如下:1.探究不同过渡金属缓冲层对h-BN薄膜结晶质量的影响。采用低压化学气相沉积技术分别在铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)缓冲层和蓝宝石衬底上制备了h-BN薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明,在过渡金属缓冲层上制备的h-BN薄膜的结晶质量明显优于直接生长在蓝宝石衬底上,其中在铬缓冲层上制备的h-BN薄膜的结晶质量最佳,其(002)衍射峰位在26.67°,半峰宽(FWHM)为0.617°。2.探究生长温度对h-BN薄膜结晶质量的影响。在1200℃、1350℃和1450℃的生长温度下,分别在铬、钼、钨缓冲层和蓝宝石衬底上生长了h-BN薄膜。XRD结果显示,随着生长温度的提高,h-BN的结晶质量也随之提高,这种变化趋势和衬底的选取无关,h-BN薄膜的最佳生长温度为1450℃。3.探究Cr缓冲层的结晶质量对h-BN薄膜结晶质量的影响。通过改变铬缓冲层的生长温度和应用退火工艺,制备了结晶质量不同的铬缓冲层。随后在1450℃的最佳生长温度下,在不同结晶质量的Cr缓冲层上制备了h-BN薄膜。XRD和拉曼谱分析的结果表明,h-BN的结晶质量随Cr缓冲层结晶质量的提高而提高。在优化的生长条件下,XRD表征显示h-BN(002)的衍射峰出现在26.67°,半峰宽为0.587°;拉曼光谱显示其振动峰出现在1370.5 cm-1,FWHM为45.5 cm-1。4.探究退火工艺对h-BN薄膜结晶质量的影响。将h-BN薄膜高温退火处理,通过XRD和拉曼光谱分析,发现在1650℃下退火后,其半峰宽得到了显著降低,如XRD的半峰宽减至0.422°,拉曼光谱的半峰宽减至25.2 cm-1,表明退火工艺优化了h-BN薄膜的结晶质量。
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