納米片狀結(jié)構(gòu)BN與BCN薄膜的MWCVD制備及其性質(zhì)研究.pdf

1、氮化硼具有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式,即六方氮化硼(hBN,下稱BN)和立方氮化硼(cBN)。BN是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體,其禁帶寬度大約為6eV,因此,在紫外光電子器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景,近年來(lái)一直受到科學(xué)界的關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)之一。硼碳氮(BCN)材料是近年發(fā)展起來(lái)的一種新材料,具有與BN和石墨相類似的六方結(jié)構(gòu),理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明BCN材料是一種半導(dǎo)體材料,并且呈現(xiàn)出依賴于成分不同而可調(diào)的帶隙寬度,因此被認(rèn)為是一種具有潛在應(yīng)用前景的新

2、型半導(dǎo)體材料。
　　本文采用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(MWCVD)方法分別以N2-H2-BF3和CH4-N2-H2-BF3的混合氣體系統(tǒng)為氣源在單晶Si片上制備了定向生長(zhǎng)的納米片狀結(jié)構(gòu)BN和BCN薄膜(下稱BN和BCN納米片薄膜),系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)如氣源組分、工作氣壓、微波功率、直流偏壓和生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)納米片生長(zhǎng)行為的影響。用傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、拉曼光譜(Raman)、透射電子顯微鏡(TE

3、M)、選區(qū)電子衍射(SAED)、電子能量損失譜(EELS)、陰極發(fā)光光譜(CL)、光致發(fā)光光譜(PL)、X射線光電子譜(XPS)以及原子力顯微鏡(AFM)等手段對(duì)BN和BCN納米片薄膜進(jìn)行了表征,詳細(xì)地研究了各工藝參數(shù)對(duì)BN和BCN納米片薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)、組分、化學(xué)鍵態(tài)、結(jié)晶度以及納米片的厚度和大小等方面的影響規(guī)律。根據(jù)表征結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,制備了高質(zhì)量、定向生長(zhǎng)的BN和BCN納米片薄膜,實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米片薄膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的控制。<

4、br>　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)對(duì)BN和BCN納米片薄膜生長(zhǎng)行為的影響,建立了BN和BCN納米片薄膜的非催化CVD生長(zhǎng)工藝。根據(jù)表征結(jié)果,得出優(yōu)化工藝參數(shù),制備出高質(zhì)量定向生長(zhǎng)的、分立的、無(wú)分枝的BN和BCN納米片薄膜,實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米片厚度和大小的控制,獲得了單原子層的BN納米片和最小厚度為3個(gè)原子層的BCN納米片。⑵研究了BN納米片薄膜的發(fā)光性質(zhì)、電子場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)和超疏水性質(zhì)。室溫下用CL譜表征了不同表面形貌的BN薄膜

5、的發(fā)光性質(zhì),研究了BN薄膜的晶體質(zhì)量與發(fā)射峰峰位、峰形之間的關(guān)系,獲得了具有近帶邊發(fā)光能力的BN納米片薄膜。測(cè)試了BN納米片薄膜的電子場(chǎng)發(fā)射譜,研究了薄膜厚度與開(kāi)啟電場(chǎng)之間的關(guān)系。對(duì)薄膜的超疏水性進(jìn)行表征,研究了BN薄膜的表面形貌與超疏水行為之間的關(guān)系,研究結(jié)果表明BN納米片薄膜具有良好的超疏水性。⑶研究了BCN納米片薄膜的發(fā)光性質(zhì)和電子場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)。室溫下用PL譜表征了不同組分的BCN納米片薄膜的發(fā)光性質(zhì),在優(yōu)化的生長(zhǎng)條件下獲得了具有高

6、強(qiáng)紫外發(fā)光而缺陷發(fā)光非常微弱的BCN納米片薄膜。在場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)研究中,通過(guò)測(cè)試不同厚度BCN納米片薄膜的場(chǎng)發(fā)射譜研究了薄膜厚度與開(kāi)啟電場(chǎng)之間的關(guān)系。⑷根據(jù)表征結(jié)果,本文探討了BN和BCN納米片的生長(zhǎng)機(jī)理,建立了F擇優(yōu)刻蝕反應(yīng)生長(zhǎng)BN和BCN二維納米片工藝體系。⑸制備了新型結(jié)構(gòu)的BN和BCN納米片球狀結(jié)構(gòu),根據(jù)SEM表征結(jié)果以及制備納米片球的工藝參數(shù),分析了BN和BCN納米片球狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制。
　　本研究成功地建立了F刻蝕可控生長(zhǎng)B