科学家利用化学气相沉积法制备六方氮化硼薄膜材料

综合纳米结构物理中心(CINAP)和基础科学研究所的研究人员研究了导体和绝缘体之间的关系。该团队由CINAP的Young Hee Lee领导，广泛研究了层状六方氮化硼材料。所有二维层上的原子都暴露在表面上，相关的物理和化学性能受毗邻材料以及表面起皱的影响很大。 寻求新途径：绝缘体和导体之间的相互作用 导体和绝缘体存在于生活中的方方面面，保障着很多平凡亦或是重要的任务的完成：例如医院里的发电机，或者是让屏幕可以工作等等。一些导体例如金属等可以使得电子可以自由地从一种材料移动到另一种材料，从而可以完整地穿过材料表面。如果材料和另外的导体材料相接触，这种电荷转移过程会不断重复，除非其和绝缘体接触。 导体和绝缘体的相互接触 试想一下，这样两个演员之间的联系：一个是从高速路上巡航下来的汽车，另一个是点缀整个路上的红绿灯。这辆汽车——就像一个导体一样，只有当遇到红灯的时候才会停下来，红灯就像是绝缘体，使得整个回路停止了。绝缘材料可以阻止自由电子从一个原子移动到另一个原子，从一个分子移动到另一个分子。如果一个电荷从导体运动到了绝缘体部分，该电荷便会停留在初始位置。绝缘体不允许电子的自由移动，就像车必须在红灯处停下来一样。综合纳米结构物理中心和基础科学研究所的研究人员仔细研究了导体和绝缘体之间的关系。该团队由CINAP的Young Hee Lee领导，广泛研究了层状六方氮化硼材料。所有二维层上的原子都暴露在表面上，相关的物理和化学性能受毗邻材料以及表面起皱的影响很大。因此，处理原子层厚的材料时需要特别注意。六方氮化硼具有一些特殊的物理和化学特性，因此在很多方面都有潜在应用，例如干燥润滑剂、钝化层和深紫外线发射器等。这种六方氮化硼的性能优于二氧化硅材料，由于其原子平整度、禁带宽度较大、优异的机械强度，和低介电屏蔽等特性，使得其成为非常理想的二维材料基板。这在键盘和电力电缆制造等方面具有非常重要的应用。 合成过程 在该研究中，这种六方氮化硼材料薄膜通过化学气相沉积法制备获得。CVD是一种生产高质量高性能固体材料的方法。六方氮化硼的厚度通过冷却速度来控制。用CVD生长获得的单层石墨烯，单层二硫化钼和单层二硒化钨材料制成的场效应晶体管是在多层六方氮化硼上生长获得，其电荷迁移率在室温下可分别达到 24,000, 40, 和 ~ 9 cm2 V-1s-1。报道的材料中电荷迁移率最高的是具有石墨烯的样品。 六方氮化硼材料的应用 六方氮化硼是理想的二维材料基板，包括石墨烯和单层过渡金属二硫属化物(TMdC)。尽管通过这种基板剥离的材料性能很好，但是由于其面积受限，因此想要对其进行集成便不可行。大面积CVD生长的六方氮化硼可以轻易和其他二维材料进行集成。为了展示六方氮化硼是一种潜在的基板，石墨烯、二硫化钼和二硒化钨设备都是在六方氮化硼材料表面合成的。这种大面积高质量的六方氮化硼基板不仅可以促进二维纳米电子材料的发展，同时也为多层二维材料的合成提供了新技术。 备注：关于氮化硼 氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（H-BN)、菱方氮化硼（R-BN）、立方氮化硼(C-BN)和密排六方氮化硼(W-BN/纤锌矿氮化硼)。 将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型层状结构，即六方氮化硼，呈现松散、润滑、易吸潮、质轻、难溶、耐高温等性状的白色粉末，所以又称“白色石墨”。 另一种是金刚石型，即立方氮化硼。和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石在C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。 六方氮化硼无明显熔点，在0.1MPA氮气中3000℃升华，在惰性气体中熔点3000℃，在中性还原气氛中，耐热到2000℃，在氮气和氩中使用温度可达2800℃，在氧气气氛中稳定性较差，使用温度1000℃以下。六方氮化硼不溶冷水，水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氮；与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用溶融的氢氧化钠，氢氧化钾处理才能分解。 六方氮化硼是陶瓷材料中导热最大的材料之一，导热率为石英的十倍，高导热系数热压制品为33W/M.K和纯铁一样；膨胀系数相当于石英，是陶瓷中最小的，在c轴方向上的热膨胀系数为41x10^6/C 而在d轴方向上为-2.3x10^6/C，所以抗热震性能很好。氮化硼也是陶瓷中最好的高温绝缘材料，击穿电压3KV/MM，低介电损耗108HZ时为2.5x10^-4，介电常数为4，可透微波和红外线。 六方氮化硼的摩擦系数低至0.16，高温下不增大，比二硫化钼，石墨耐温高，氧化气氛可用到900℃，真空下可用到2000℃。常温下润滑性能较差，故常与氟化石墨、石墨与二硫化钼混合用作高温润滑剂，将氮化硼粉末分散在油中或水中可以作为拉丝或压制成形的润滑剂，也可用作高温炉滑动零件的润滑剂，氮化硼的烧结体可用作具有自润滑性能的轴承、滑动零件的材料。 六方氮化硼的压缩强度为170MPa，可机械加工性其硬度为莫氏2，所以可用一般机械加工方法加工成精度很高的零部件制品。 六方氮化硼的用途 1. 高温固体润滑剂，例如各种光学玻璃脱膜剂、金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂、冶金上用于连续铸钢的分离环 2. 高温状态的特殊电解、电阻材料，例如：高压高频电及等离子弧的绝缘体、做各种镀铝的蒸发舟 3. 防止中子辐射的包装材料，例如：原子反应堆的结构材料 4. 压制成各种形状，用做高温、高压、绝缘、散热部件，例如飞机、火箭发动机的喷口 5. 加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地质勘探、石油钻探的钻头。