氮化硼“黑金”與“白石墨”的聯(lián)姻

2022-06-11 09:43:01

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相對于人類文明幾千年的存在，薄的二維材料——石墨烯被發(fā)現(xiàn)的歷史無疑是短暫的，但其奇妙的物理特性吸引了科研人員的目光。自2004年曼徹斯特的安德烈.海姆小組制備出單層石墨烯以來，石墨烯的一系列特性不斷被人們發(fā)現(xiàn)，如的載流子遷移率——理論值達(dá)100萬平方厘米 · 伏 ^ -1 · 秒 ^ -1（cm ^ 2·V ^ -1·s ^ -1）、反常量子霍爾效應(yīng)、室溫量子霍爾效應(yīng)、質(zhì)量狄拉克費米子行為，以及的機械強度和熱導(dǎo)率、優(yōu)異的透光性和導(dǎo)電性、的比表面積等。這些優(yōu)異的性能使得石墨烯在微電子、傳感器和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而石墨烯也被稱為“黑金”。如今，石墨烯等二維材料與器件的研發(fā)競爭日趨激烈，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖已經(jīng)將石墨烯等二維材料列為有望延續(xù)摩爾定律的新材料，廣泛應(yīng)用于集成電路和新型納米電子器件中。未來，由二維晶體構(gòu)成的二維納米電子器件有望給微電子技術(shù)帶來性的變革，甚至有可能動搖占據(jù)集成電路主導(dǎo)半個世紀(jì)的硅基微電子器件的，并廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。氮化硼

六方氮化硼

以石墨烯為代表的二維材料在替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料走向微電子領(lǐng)域、應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制造的過程中充滿了機遇，同時也面臨著許多亟需解決的重大科學(xué)難題。例如石墨烯微電子器件的制備和應(yīng)用需要較高的載流子遷移率、合適的帶隙、較低的晶內(nèi)缺陷、平整的表面、較小的電荷雜質(zhì)濃度、均勻的介質(zhì)覆蓋等。面對以上難題，六方氮化硼（h-BN）是目前的一種石墨烯器件緣基底。六方氮化硼體材料與石墨是等電子體，具有與其相似的層狀結(jié)構(gòu)，外觀色白，俗稱“白石墨”。其具有與石墨烯相同的層狀六邊形平面結(jié)構(gòu)，具有原子級的平整表面，在面上沒有懸掛鍵，與石墨烯的晶格失配為1.8%，摻雜效應(yīng)弱，能夠地保持石墨烯的本征物理性質(zhì)。有報道稱，將石墨烯轉(zhuǎn)移到六方氮化硼基底上后，測得的電子遷移率比在二氧化硅表面獲得的結(jié)果提高了一個數(shù)量級。但目前利用化學(xué)氣相沉積法制備的六方氮化硼薄膜大多為小晶疇組成的單層，大面積均勻多層氮化硼薄膜的制備技術(shù)仍然沒有取得。

針對以上科學(xué)問題，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊圍繞“黑金”石墨烯和“白石墨”六方氮化硼材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)與器件應(yīng)用展開了研究領(lǐng)域，取得了一系列意義重大的研究進(jìn)展。