Syntes av hexagonal bornitrid

Tvådimensionell hexagonal bornitrid (2D h-BN) är ett material med struktur jämförbar med grafen med potentiella tillämpningar i t.ex. fotonik , bränsleceller och som substrat för tvådimensionella heterostrukturer . 2D h-BN är isostrukturell till grafen, men där grafen är ledande är 2D h-BN en bred-gap isolator .

Egenskaperna hos 2D h-BN-filmer beror mycket på filmens kvalitet. Det har varit utmanande att syntetisera högkvalitativ 2D h-BN över stora ytor. I synnerhet resulterar den lilla kornstorleken hos polykristallint h-BN i många korngränser , vilket skapar laddningsfällor och högre ytjämnhet.

Produktionen av 2D h-BN kan delas upp i uppifrån och ner och nedifrån och upp . I bottom-up-metoder odlas eller avsätts en film på en yta; i top-down-metoder reduceras en större struktur tills önskat tillstånd eller struktur uppnås.

Top-down metoder

Den allmänna tanken bakom uppifrån-och-ned-metoder är att ta bulk h-BN, bryta Van der Waals-krafterna mellan de hexagonala skikten och separera de resulterande tvådimensionella arken av h-BN. Dessa tekniker består huvudsakligen av mekaniska och kemiska exfolieringsmetoder.

Vid mekanisk exfoliering dras eller separeras atomskikten av h-BN fysiskt från varandra. Till exempel att använda vanlig självhäftande tejp för att dra bort grafenark är en av de mest kända mekaniska exfolieringsmetoderna och liknande tekniker kan också användas för att skapa h-BN-ark. Generellt sett kan mekaniska exfolieringsmetoder betraktas som enkla sätt att tillverka h-BN nanoark, men deras utbyte kan vara litet och storleken på de tillverkade strukturerna är vanligtvis begränsad. Å andra sidan har antalet defekter på de producerade nanoarken visat sig vara mindre jämfört med kemiska metoder.

Kemisk exfoliering utförs i flytande lösningsmedel som dikloretan och dimetylformamid. Sonikering används för att bryta Van der Waals-krafter i h-BN-kristaller som gör att lösningsmedelsmolekylerna kan expandera atomskikten. Dessa metoder är ganska enkla och kan också ge ett högre utbyte jämfört med mekanisk exfoliering, även om proverna lätt förorenas.

Bottom-up-metoder

Kemisk ångavsättning

Kemisk ångavsättning (CVD) är en nedifrån-och-upp kemisk deponeringsmetod som används för att konstruera högkvalitativa filmer i nanoskala . I CVD utsätts ett substrat för prekursorer , som reagerar på skivans yta för att producera den önskade filmen. Denna reaktion resulterar ofta i giftiga biprodukter. Historiskt har ultrahögt vakuum CVD (UHVCVD) använts för tunn h-BN-avsättning på övergångsmetaller. På senare tid har CVD av h-BN också varit framgångsrik på metalliska ytor vid högre tryck.

CVD är beroende av användningen av reaktiva prekursorer. För h-BN finns det gasformiga, flytande och fasta alternativ att välja mellan, var och en med sina respektive fördelar och nackdelar. _, såsom BF3 _/ NH3 _, BCl3 _/ NH3 och _B2H6 /NH3 _{, är toxiska och kräver} noggranna gasförhållanden för att bibehålla en 1:1 B/N _- stökiometri . Flytande prekursorer, såsom borazin , har lika stora mängder bor och kväve och producerar inte mycket giftiga biprodukter. De är dock känsliga för fukt och hydrolyserar lätt. Denna nackdel kan motverkas genom att höja temperaturen, men högre temperaturer resulterar också i ökade reaktionshastigheter. Slutligen, för fasta prekursorer, borazan stabil och har en stökiometri på 1:1 B/N. Dess nackdel är dess nedbrytning till _den högaktiva BH2NH2, _som polymeriserar vid rumstemperatur. Rent borazan fungerar följaktligen inte som prekursorer och bör blandas med BH ₂ NH ₂ och borazin.

CVD klassificeras efter dess driftsförhållanden i atmosfäriskt tryck CVD (APCVD), lågtrycks CVD (LPCVD) och ultrahögt vakuum CVD. Högre vakuum kräver mer sofistikerad utrustning och högre driftskostnader, medan högre tryck ger snabbare tillväxt. För h-BN har APCVD inte kunnat kontrollera antalet lager exakt. Åtminstone LPCVD krävs för närvarande för att producera storarea monolager h-BN.

Valet av substrat i CVD är viktigt, eftersom filmen under produktion måste fästa på ytan. I h-BN, som i grafen, övergångsmetaller som Cu eller Ni populära val för CVD-substratmaterial. Platina har också använts som oblat, liksom järnfolie och kobolt. Nackdelen med katalytiska övergångsmetallwafermaterial är behovet av att överföra slutresultatet till ett målsubstrat, såsom kisel. Denna procedur skadar eller förorenar ofta filmen. Vissa h-BN-filmer har odlats på Si, SiO ₂ /Si och safir

Orienteringen av domäner på h-BN-filmen påverkas av valet av substratmaterial och dess orientering. Typiskt är domäner triangulära i LPCVD och triangulära, trunkerade triangulära eller hexagonala i APCVD. Ofta är dessa domäner slumpmässigt orienterade, men h-BN-domäner ligger strikt i linje med koppar (100) eller (111) ytgitter. Med Cu (110) är inriktningen mindre strikt, men fortfarande stark över millimeteravstånd.

Fysisk ångavsättning

Sputtering

Vid sputtering bombarderas ett fast mål av det önskade filmmaterialet med energirika partiklar, så att en tunn film kan produceras på en wafer som är vänd mot målet. Ar-jonstrålar har använts för att sputtera h-BN på Cu-folier, vilket resulterar i högkvalitativa filmer med få lager, och magnetronförstoftning av B i N2/Ar har använts för att odla h-BN av hög kvalitet på Ru. Denna process resulterar i två atomlager tjocka filmer; tjockare filmer kan odlas genom alternerande rumstemperaturavsättning och glödgningscykler.

Samsegregering

När en källa för bor och kväve, såsom amorft BN, är inklämd mellan en Co- eller Ni-film och SiO2, är det möjligt att växa en atomärt tunn h-BN-film på metallytan genom att glödga heterostrukturen i ett vakuum. B- och N-atomerna löses upp i metallbulken, diffunderar genom filmen och fälls ut på ytan. På så sätt undviks användningen av okonventionella eller giftiga prekursorer.

Andra metoder

I molecular beam epitaxi (MBE) tillåts uppvärmda gasformiga element att kondensera på wafern. MBE har använts för att odla h-BN-filmer från elementärt B och N på Ni-folier.

Smält boroxid reagerar med gasformig ammoniak för att bilda en ultratunn h-BN-film vid reaktionsgränsytan. Filmen växer till 20-30 nm i tjocklek, varefter processen avslutas av sig själv, installationen kyls ner och boroxiden kan lösas i vatten.