納米片狀結構BN與BCN薄膜的MWCVD制備及其性質研究.pdf

1、氮化硼具有兩種主要的結構形式,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體,其禁帶寬度大約為6eV,因此,在紫外光電子器件領域有重要的應用前景,近年來一直受到科學界的關注并成為研究熱點之一。硼碳氮(BCN)材料是近年發(fā)展起來的一種新材料,具有與BN和石墨相類似的六方結構,理論和實驗結果都證明BCN材料是一種半導體材料,并且呈現出依賴于成分不同而可調的帶隙寬度,因此被認為是一種具有潛在應用前景的新

2、型半導體材料。
　　本文采用微波等離子體增強化學氣相沉積(MWCVD)方法分別以N2-H2-BF3和CH4-N2-H2-BF3的混合氣體系統為氣源在單晶Si片上制備了定向生長的納米片狀結構BN和BCN薄膜(下稱BN和BCN納米片薄膜),系統地研究了工藝參數如氣源組分、工作氣壓、微波功率、直流偏壓和生長時間對納米片生長行為的影響。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BN和BCN納米片薄膜進行了表征,詳細地研究了各工藝參數對BN和BCN納米片薄膜的表面形貌、結構、組分、化學鍵態(tài)、結晶度以及納米片的厚度和大小等方面的影響規(guī)律。根據表征結果對工藝參數進行優(yōu)化,制備了高質量、定向生長的BN和BCN納米片薄膜,實現了對納米片薄膜結構和性質的控制。<

4、br>　　本研究主要內容包括：⑴系統地研究了工藝參數對BN和BCN納米片薄膜生長行為的影響,建立了BN和BCN納米片薄膜的非催化CVD生長工藝。根據表征結果,得出優(yōu)化工藝參數,制備出高質量定向生長的、分立的、無分枝的BN和BCN納米片薄膜,實現了對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個原子層的BCN納米片。⑵研究了BN納米片薄膜的發(fā)光性質、電子場發(fā)射性質和超疏水性質。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,研究了BN薄膜的晶體質量與發(fā)射峰峰位、峰形之間的關系,獲得了具有近帶邊發(fā)光能力的BN納米片薄膜。測試了BN納米片薄膜的電子場發(fā)射譜,研究了薄膜厚度與開啟電場之間的關系。對薄膜的超疏水性進行表征,研究了BN薄膜的表面形貌與超疏水行為之間的關系,研究結果表明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)光性質和電子場發(fā)射性質。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,在優(yōu)化的生長條件下獲得了具有高

6、強紫外發(fā)光而缺陷發(fā)光非常微弱的BCN納米片薄膜。在場發(fā)射性質研究中,通過測試不同厚度BCN納米片薄膜的場發(fā)射譜研究了薄膜厚度與開啟電場之間的關系。⑷根據表征結果,本文探討了BN和BCN納米片的生長機理,建立了F擇優(yōu)刻蝕反應生長BN和BCN二維納米片工藝體系。⑸制備了新型結構的BN和BCN納米片球狀結構,根據SEM表征結果以及制備納米片球的工藝參數,分析了BN和BCN納米片球狀結構的生長機制。
　　本研究成功地建立了F刻蝕可控生長B