Synteza wielkopowierzchniowa i transfer wielowarstwowego hBN do wytwarzania elektroniki 2D

Naukowcy z Uniwersytetu Kyushu, Narodowego Instytutu Zaawansowanej Nauki i Technologii Przemysłowej (AIST) oraz Uniwersytetu Osaka w Japonii opracowali niedawno nową strategię syntezy wielowarstwowego heksagonalnego azotku boru (hBN). Materiał ten można wykorzystać do integracji różnych innych w urządzeniach elektronicznych, przy jednoczesnym zachowaniu ich unikalnych właściwości. Proponowane przez nich podejście, przedstawione w artykule opublikowanym w: „Nature Electronics”, może ułatwić wytwarzanie nowych, wysoce wydajnych sprzętów opartych na grafenie. „Atomowo płaski izolator 2D hBN jest kluczowym budulcem do integracji materiałów 2D w urządzeniach elektronicznych” — mówi Hiroki Ago, jeden z badaczy, którzy brali udział w projekcie. „Na przykład najwyższą mobilność nośników w grafenie jednowarstwowym uzyskuje się tylko wtedy, gdy jest on otoczony wielowarstwowym hBN. Nadprzewodnictwo obserwowane w skręconym dwuwarstwowym grafenie również wymaga wielowarstwowego hBN do izolacji od środowiska”. Oprócz wytwarzania urządzeń bazujących na grafenie, hBN można również spożytkować do integracji dichalkogenków metali przejściowych (TMD), uzyskując silną fotoluminescencję i wysoką mobilność nośników.

Pomimo wielu możliwych zastosowań, jak dotąd synteza wysokiej jakości hBN okazała się trudna, szczególnie w porównaniu z innymi materiałami 2D. HBN wytwarzane za pomocą istniejących metod są na ogół zbyt cienkie lub niejednorodne. „Chociaż osiągnięto obiecujące wyniki przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), jest ono ograniczone tylko do jednowarstwowego hBN. Z tym że jedna warstwa HBN nie jest wystarczająco okazała, aby odfiltrować wpływ środowiska” — wskazuje Ago. „Tak więc kontrolowanie grubości hBN nadal stanowi wyzwanie ze względu na złożone interakcje między atomami B i N a substratem katalitycznym”.



Głównym celem ostatnich badań przeprowadzonych przez Ago i jego współpracowników było zidentyfikowanie sposobu wytwarzania hBN o jednolitej grubości w różnych skalach. Zespół chciał również umożliwić pomyślną integrację zsyntetyzowanego hBN z grafenem, uzyskując niezawodne urządzenia. Strategia, którą opracowali opiera się na CVD, procesie chemicznym powszechnie stosowanym do hodowli hBN i innych materiałów 2D. Chociaż ujęcie to było wykorzystywane w poprzednich pracach, nie zawsze dawało jednorodny i dobrej jakości hBN. „Polega to na wystawieniu metalowego podłoża (w tym przypadku folii Fe-Ni) na działanie gazu zawierającego prekursory hBN (B i N), które w wysokich temperaturach ulegają reakcjom chemicznym, tworząc warstwy hBN na powierzchni Fe-Ni. Dopasowując względne ilości Fe i Ni, można uzyskać równomierną segregację hBN. Oprócz wzrostu CVD bardzo ważny jest również transfer z metalowego katalizatora, ponieważ silnie wpływa on na właściwości fizyczne”. Aby przemieścić wyhodowany hBN na grafen, Ago i jego współpracownicy zastosowali technikę znaną jako delaminacja elektrochemiczna, wykorzystując pęcherzyki H2 utworzone na styku warstw Fe-Ni i hBN. Chociaż wiadomo, że proces ten jest czystszy i wydajniejszy niż inne metody przenoszenia materiałów, odkryli, że interfejs między hBN a warstwą grafenu nie był tak klarowny, jak by sobie tego życzyli. A zatem nie dawałby jednolitych urządzeń. „Aby rozwiązać ten problem, systematycznie badaliśmy wpływ różnych procesów czyszczenia i obróbki na przeniesiony hBN i późniejszy grafen” — powiedział Ago. „Odkryliśmy, że sekwencyjne wyżarzanie w wodorze w wysokich temperaturach zapewnia stosunkowo czyste interfejsy między hBN a grafenem”.



Korzystając z proponowanej metody syntezy i transferu, naukowcy byli w stanie wyprodukować sprzęty odpowiedniej jakości, w których grafen był zamknięty w hBN. Stwierdzono, że urządzenia te przewyższają inne, w których ww. materiał został umieszczony bezpośrednio na warstwie SiO2. „Ta poprawa wydajności, którą wcześniej obserwowano wobec sprzętów starannie zaprojektowanych w określonych czystych i jednorodnych miejscach, spostrzeżono tutaj po raz pierwszy. Mowa tu o przypadku urządzeń przygotowywanych na skalę całych substratów przy użyciu procedur zgodnych z technikami produkcji masowej” — zakomunikował Ago. „Zademonstrowaliśmy udaną syntezę wysokiej jakości hBN w szerokim ujęciu za pomocą stosunkowo niedrogich folii Fe-Ni i opracowaliśmy skalowalne procesy transferu. Te umożliwiły wytwarzanie sprzętów grafenowych o lepszej wydajności w skali substratu”.

Ago i jego współpracownicy planują teraz dalsze udoskonalanie sposobów syntezy i transferu, aby ułatwić ich wprowadzenie zarówno w środowisku badawczym, jak i przemysłowym. Na przykład hBN wytworzony podczas ich eksperymentów wykazuje jednorodną grubość w zakresie od 5 do 10 nm w poprzek całego substratu, co może nie spełniać warunków szczególnie złożonych i wymagających zastosowań elektronicznych.

Źródło: https://techxplore.com/news/2023-03-large-area-synthesis-multilayer-hbn-fabricating.html