液态镓衬底表面二维硼薄膜可控生长与转移研究

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二维硼材料具有独特的物理化学性质,硼-硼键的多中心特性使其容易形成结构空位,为二维材料(2DMs)在化学官能化、材料合成、复杂结构构造以及电子器件应用方面提供了新的选择。然而,高质量、高稳定性二维硼薄膜的可控生长一直是一个瓶颈问题,液态金属镜面级平整的表面,为生长超平整、高质量硼薄膜提供了条件。本工作采用化学气相沉积(CVD)法在液态镓(Ga)衬底表面可控生长了二维硼膜,并通过机械剥离的方法将薄膜转移到氧化硅/硅衬底上,有效地避免了薄膜转移中有机杂质的引入。首先将液态Ga表面高温氧化后,使用机械剥离的方法制备了厚度为6 nm的氧化镓(Ga2O3)薄膜,接着使用乙醇蒸汽,清除薄膜表面残留的液态Ga。通过改变氧气浓度、剥离温度和力度,获得了液态金属表面二维薄膜的制备工艺参数,为硼薄膜的剥离奠定了基础。在低于50.0%的氢气浓度下,以硼(B)和氧化硼(B2O3)混合粉末为固态源,在液态Ga衬底表面低压CVD生长了厚度为亚纳米尺度的二维硼薄膜。通过改变生长时的氢气浓度和生长时间,形成了二维硼薄膜的生长工艺。在此基础上,分析了单温区生长的硼薄膜组分发生变化的原因,即同一温区的固态源和液态金属衬底在生长前的退火过程中,一定量的B2O3粉末受退火温度影响挥发到Ga球表面,阻止了B的沉积。当氢气浓度高于50.0%(氢氩比大于1)时,随着薄膜生长时间的增长,二维纳米片转变成厚度为几十纳米的块状薄膜,X射线光电子能谱(XPS)测得该薄膜由三价态硼元素组成,且拉曼谱(Raman)没有出现对应了γ-B28的特征峰。研究表明,随着氢气浓度的升高,大量中间相B2O2的还原使得生长腔室内氧含量升高,导致硼薄膜在生长过程中被氧化成B2O3。上述成果为功能化、新材料、复杂结构电子器件的应用提供了新的思路。
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