用于制造二维电子器件的多层hBN的大面积合成和转移

九州大学、国立产业技术综合研究所(AIST)和日本大阪大学的研究人员最近推出了一种合成多层六方氮化硼(hBN)的新策略，这种材料可用于在电子设备中集成不同的2D材料，同时保持其独特的性能。他们提出的方法在Nature Electronics上发表的一篇论文中概述，可以促进新型高性能石墨烯器件的制造。

“原子扁平的2D绝缘体hBN是将2D材料集成到电子设备中的关键材料，”进行这项研究的研究人员之一Hiroki Ago告诉Tech Xplore。“例如，单层石墨烯中最高的载流子迁移率只有在被多层hBN夹在中间时才能实现。在扭曲的双层石墨烯中观察到的超导性也需要多层hBN才能与环境隔离。

除了在制造基于石墨烯的器件方面具有价值外，hBN还可用于将过渡金属硫族化合物(TMD)集成到器件中，从而实现强光致发光和高载流子迁移率。它对于进行专注于摩尔纹物理学的研究也很有价值。

尽管有许多可能的用途，但到目前为止，高质量hBN的合成已被证明具有挑战性，特别是与其他2D材料的合成相比。使用现有方法产生的hBN通常太薄或不均匀。

“虽然使用化学气相沉积(CVD)已经取得了有希望的结果，但它仅限于单层hBN，但单层hBN的厚度不足以筛选出环境影响，”Ago说。“因此，由于B和N物种与催化底物之间的复杂相互作用，控制hBN的厚度仍然具有挑战性。

Ago及其同事最近研究的主要目标是确定一种在不同尺度上生产具有均匀厚度的hBN的策略，以满足不同设备的需求。该团队还希望能够成功将合成的hBN与石墨烯集成，在晶圆规模上实现可靠和高性能的器件。

他们设计的策略基于CVD，这是一种通常用于生长hBN和其他2D材料的化学过程。虽然这个过程在以前的工作中应用过，但它并不总是导致均匀和高质量的hBN。

“该过程涉及将金属基板(在我们的案例中为多晶Fe-Ni箔)暴露于含有hBN(B和N)前体的气体中，这些气体在高温下发生化学反应以在Fe-Ni表面产生hBN层，”Ago解释说。“通过调整Fe和Ni的相对量，可以获得hBN的均匀偏析。除了CVD生长外，金属催化剂的转移也非常重要，因为它会强烈影响物理性能。

为了将他们生长的hBN转移到石墨烯上，Ago和他的同事使用了一种称为电化学分层的材料转移技术，利用H2气泡在Fe-Ni和hBN层的界面处形成。虽然已知该过程比其他材料转移方法更清洁，更有效，但他们发现hBN和石墨烯层之间的界面并不像他们想要的那样干净，因此不会在晶圆尺度上产生均匀的石墨烯器件。

“为了解决这个问题，我们系统地研究了各种清洁和处理过程对转移的hBN和随后的石墨烯的影响，”Ago说。“我们发现顺序退火在H2高温环境确保了hBN和石墨烯之间相对干净的界面。

使用他们提出的hBN合成和转移方法，研究人员能够制造高性能器件，其中石墨烯被hBN封装。发现这些器件的性能优于石墨烯直接放置在SiO上的其他器件。2层。

Ago说：“这种性能改进以前已经观察到在特定清洁和均匀位置精心图案化的器件，而对于使用与大规模生产技术兼容的程序以晶圆规模生产的器件，这是首次观察到的。“我们展示了使用相对便宜的Fe-Ni箔大规模成功合成高质量hBN的方法，并开发了可扩展的转移工艺，使石墨烯器件能够在晶圆尺度上具有改进的性能。

Ago及其同事最近的这项研究表明，CVD生长的2D材料在大规模生产高性能和均匀电子产品方面具有潜力。在未来，他们开发的策略可用于大规模可靠地生产均匀的hBN，然后将其集成到不同的设备中。

Ago和他的同事们现在计划进一步改进他们的合成和转移过程，以促进它们在研究和工业环境中的引入。例如，在他们的实验过程中产生的hBN在晶圆上显示出5-10纳米的均匀厚度，这可能不能满足特别复杂和苛刻的电子应用的要求。

“生产更厚的hBN薄膜的能力将更好地隔离其他2D材料，但事实证明，在保持均匀性的同时增加厚度具有挑战性，”Ago补充道。“因此，我们现在正在努力改进我们的合成方法。此外，我们目前的传输过程依赖于使用PMMA牺牲层，因此我们目前正在研究替代方法，这些方法可以产生更清洁的转移hBN，并且更适合工业规模的处理，从而在保持设备质量的同时提高处理吞吐量。

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