Чистые и кристаллизованные 2D-листы нитрида бора, синтезированные с помощью нового процесса, сочетающего методы PDC и SPS.

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20388 (2016) Цитировать эту статью

3818 Доступов

25 цитат

Подробности о метриках

В контексте новых исследований, связанных с графеном, хорошо известно, что нанолисты h-BN (BNNS), также называемые 2D BN, считаются лучшим кандидатом на замену SiO2 в качестве диэлектрической опоры или покрывающих слоев для графена. Как следствие, разработка нового альтернативного источника высококристаллических кристаллов h-BN, пригодного для дальнейшего расслаивания, является первоочередной научной задачей. В данной статье предлагается многообещающий подход к синтезу чистых и хорошо кристаллизованных хлопьев h-BN, которые можно легко расслаивать до BNNS. Этот новый доступный производственный процесс представляет собой подходящий альтернативный источник поставок в ответ на растущую потребность в высококачественных BNNS. Стратегия синтеза для получения чистого h-BN основана на уникальном сочетании технологии полимерной керамики (PDC) с процессом искрового плазменного спекания (SPS). Многомасштабные химические и структурные исследования четко показали, что полученные хлопья крупные (до 30 мкм), бездефектные и хорошо кристаллизованные, что является ключевыми характеристиками для последующего расслоения на соответствующие BNNS.

Благодаря их замечательному потенциалу для электронных приложений, исследования, связанные с 2D-наноматериалами, в настоящее время переживают бум. В частности, гексагональный нитрид бора (h-BN) является ключевым материалом, особенно в контексте новых исследований, связанных с графеном. Действительно, хорошо известно, что BNNS считаются одними из лучших кандидатов на замену SiO2 в качестве диэлектрической опоры или закрывающих слоев для графена1. Самая важная причина связана с несовершенствами поверхности SiO2 (шероховатость, заряженные ловушки…), которые могут существенно ограничивать подвижность носителей внутри атомных листов графена, а затем влиять на их электронные транспортные свойства. Поскольку параметры решетки БННС идеально соответствуют параметрам графена, этот недостаток необходимо преодолеть2. Недавние работы3,4 даже открывают возможность создания многослойных гетероструктур, в которых h-BN и чешуйки расслоенного графена поочередно укладываются друг на друга, образуя вертикально ориентированные транзисторы на основе графена5,6.

Чтобы добиться успеха в этих областях применения, разработка доступного ресурса чистых и высококристаллизованных кристаллов h-BN остается сложной задачей. Сегодня для производства BNNS после механического или химического расщепления обычно доступны только два основных источника кристаллов гексагонального нитрида бора (h-BN). Во-первых, коммерческие источники7,8, как правило, полученные из кислородсодержащего соединения бора при взаимодействии с азотсодержащим источником, чаще всего характеризуются высоким уровнем дефектности при относительно небольших площадях кристаллов (от менее 2 мкм до 10 мкм). ). Во-вторых, кристаллы h-BN также можно обнаружить с помощью метода высокого давления и высокой температуры (HPHT), принятого в Национальном институте материаловедения (NIMS Japan)9,10. Этот процесс позволяет расщеплять относительно крупные (~100 мкм) и тонкие (несколько нм) образцы BN с атомно-плоской поверхностью и низкой плотностью дефектов. Однако широкому распространению этого последнего ресурса препятствуют тяжелые условия его добычи, например, высокая температура (до 2100 °С), высокое давление (5,5 ГПа) и время обработки (80 часов). Эти особенности до сих пор не позволяют (насколько нам известно) воспроизвести этот маршрут другой группой.

Чтобы получить большие и высококристаллизованные листы h-BN, можно рассмотреть две стратегии. Первый заключается в прямом нанесении необходимых БННС на подложку, а второй основан на получении БННС путем расслоения крупных монокристаллов h-BN.

Что касается первого подхода, в литературе сообщается о CVD и CVD-производных11,12,13,14,15 синтезах нанослоев BN, нанесенных на различные подложки, с использованием прекурсоров на основе бора и азота16,17,18,19. Однако при использовании таких газовых методов трудно контролировать образование дефектов и регулировать количество слоев. Второй подход использует преимущества слабой межплоскостной силы h-BN для получения путем отшелушивания двумерной многослойной графеноподобной структуры (часто называемой нанолистами BN). Отшелушивание хорошо описано в литературе и может проводиться механическими16,20,21,22,23,24 или химическими25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35 методами. Как следствие, этот косвенный способ получения BNNS путем отшелушивания высококачественных кристаллов h-BN кажется более актуальным, но на самом деле страдает от нехватки источников чистого h-BN, как обсуждалось выше.