极大支持现代社会的硅半导体器件通过小型化变得更快、更节能，但这种小型化也已接近极限。有望解决这一问题的材料是石墨烯等极薄的二维原子片（二维材料），其只有原子的厚度。本研究中研究的六方氮化硼是一种绝缘二维材料，对于显着提高石墨烯等其他二维材料的器件性能以及展现各种有趣的物理性能至关重要。然而，合成大面积六方氮化硼很困难，即使现在，大多数研究也使用从单晶获得的小片状剥落片。因此，目前还没有六方氮化硼应用于大面积器件的报道。
九州大学全球创新中心主任Hiroki Ago教授、特聘副教授Pablo Solis-Fernández、研究人员Satoru Fukamachi、大阪大学工业科学研究所教授Kazutomo Suenaga、工业技术研究所首席研究员Yunchang Lin领导的研究小组，使用化学气相沉积方法成功合成了均匀的多层六方氮化硼，并利用其提高大规模石墨烯器件的性能。特别是，除了六方氮化硼的合成方法之外，我们还通过详细研究石墨烯的堆叠方法和清洁方法，详细证明了大面积排列的石墨烯的器件特性可以提高一倍以上。
这项研究能够将二维材料制造成大面积的器件，这在以前是很困难的，并且有望通过实现下一代半导体为未来的半导体行业做出巨大贡献。
这项研究的结果将发表在英国科学杂志《自然电子学”将在线发布。
六方氮化硼的大面积合成并由此实现石墨烯器件性能的改善
我们现代生活中不可或缺的由硅晶体管制成的半导体器件由于电路的小型化而变得高度集成，并且设备变得更快、更小、更节能。然而，随着硅晶体管小型化的进展，由于界面不稳定等因素，其特性恶化，据说小型化已接近极限。在这种情况下，极薄的二维原子片（称为“二维材料”），例如石墨烯，其厚度仅与原子一样，预计将在下一代半导体和其他电子产品中发挥作用。石墨烯，典型的二维材料，是物质中最好的载体移动性(*1)，因此被应用于集成电路和各种传感器。另外，过渡金属二硫属化物(TMDC)(*2)的二维材料作为半导体沟道材料表现出优异的性能，类似于硅。此外，当两层这些材料堆叠在一起时，它们表现出超导性和特定发光性，这具有很大的学术兴趣，并且世界各地正在积极进行研究。
由于构成这些二维材料的大部分原子都暴露在表面，因此众所周知，它们受到安装基板的不均匀性和电荷以及吸附在表面的氧气和水的影响很大，使得它们无法发挥其原有的优异性能。例如，在常规硅衬底上，石墨烯的载流子迁移率远低于理想值。
六方氮化硼（hBN）这种绝缘二维材料可以解决上述问题。如图1所示，它由与石墨烯相同的六方晶格组成，并具有原子平面结构。据了解，当石墨烯的顶部和底部被多层六方氮化硼保护时，石墨烯的原始性质被揭示出来，电学和光学性质得到显着改善（图2）。此外，在TMDC中，已知多层hBN可用于提高载流子迁移率和发光效率。由于这些原因，多层六方氮化硼对于探索二维材料的物理特性以及电子和光学器件应用至关重要。然而，与石墨烯和TMDC不同，大面积均匀合成多层六方氮化硼的技术尚未建立。因此，使用胶带从单晶六方氮化硼上剥离的几微米到几十微米大小的剥离片，对石墨烯和TMDC进行了研究。当考虑二维材料在半导体中的未来应用时，人们强烈希望合成可用于器件的大面积多层六方氮化硼。
图 1多层六方氮化硼的结构
图 2多层六方氮化硼在石墨烯器件中的重要性
在本研究中，我们尝试了多层六方氮化硼的大面积合成，旨在解决上述问题并促进石墨烯和TMDC等二维材料的器件应用。此外，我们通过制造多层六方氮化硼和石墨烯器件并评估其性能，研究了新合成的六方氮化硼的实用性。本研究取得的成果大致可分为以下三点。
1。多层六方氮化硼的合成
环硼氮烷（B3N3H6) 在高温下发生反应。通过使用市售的以Fe和Ni为主要成分的合金箔，我们成功合成了厚度为2至10 nm的大面积多层六方氮化硼。 CVD使用的合金箔在分解环硼氮烷原料、生产氮化硼方面发挥着重要作用。图3(a)显示了用于合成的设备的外观。将环硼氮烷引入加热至约1200℃的反应器中，与Fe-Ni合金箔发生反应，在箔表面获得多层六方氮化硼。图3(b)是从Fe-Ni合金箔转印到硅基板上的多层六方氮化硼的照片，以及用光学显微镜拍摄的放大照片。可以看出，获得了颜色不均很少且厚度相对均匀的多层膜。
图 3(a) 用于六方氮化硼合成的 CVD 设备和 (b) 六方氮化硼转移至硅基板
2。六方氮化硼的转移并与石墨烯堆叠
接下来，为了评估多层六方氮化硼的特性，我们研究了将其与石墨烯堆叠。由于多层六方氮化硼和石墨烯都是在金属上合成的，转录''（*3）的过程，这种转移是一个重要的过程，极大地影响二维材料的质量。在本研究中，我们考虑了六方氮化硼和石墨烯的一系列转移和堆叠，如图4所示。因此，在多层六方氮化硼的转移中，标准金属箔蚀刻方法留下的金属残留物少于 (*4)电化学法(*5)对石墨烯非常有利拉曼光谱由测量可知(*6)。使用这种方法，我们能够获得石墨烯夹在六方氮化硼之间的大面积结构。
图 4多层六方氮化硼和石墨烯转移制备六方氮化硼-石墨烯堆叠结构的方案
３．石墨烯和六方氮化硼堆叠器件的表征
最后，我们制造了一个器件，并评估了通过 CVD 大面积合成的多层六方氮化硼是否有助于改善石墨烯的性能。图 5(a) 和 (b) 显示了所制造器件的显微照片。从石墨烯/六方氮化硼堆叠器件横截面的电子显微照片（图5（c））及其元素分析，我们能够确认11层多层六方氮化硼的最外表面存在一层石墨烯。石墨烯器件的载流子迁移率如图5(d)所示。对于每种类型的设备，我们测量了 60 多个设备并进行了系统比较。结果，他们发现电化学方法比蚀刻方法表现出更高的迁移率，并且当石墨烯的顶部和底部夹有六方氮化硼时，迁移率改善效果最为明显。
迄今为止已经发表了几篇论文，报告了使用 CVD 方法合成的多层六方氮化硼来提高石墨烯器件的迁移率。然而，这些论文仅选择了六方氮化硼中一些不含杂质或缺陷的最佳区域来创建器件。这项研究值得注意的是，我们制造并评估了大量器件，如图 5(a) 所示，并证明六方氮化硼的效果可以在整个厘米级衬底上看到。
图 5(a) 石墨烯器件的光学显微照片。在该图中，将六方氮化硼转移到基板的左侧，然后将石墨烯转移到整个表面，以评估单个基板上是否存在六方氮化硼的差异。 (b) 石墨烯/六方氮化硼器件的放大光学显微镜照片。 (c) 横截面的电子显微照片。 (d)各种器件的载流子迁移率比较。可以看出，夹在六方氮化硼之间的石墨烯具有最高的载流子迁移率。
未来我们将进一步提高六方氮化硼的均匀性，增加六方氮化硼的面积。此外，通过抑制转移过程中出现的皱纹和气泡，我们的目标是进一步提高石墨烯器件的特性。这将改善使用石墨烯的光学、磁学和生物传感器的特性，并将通过产学官合作极大地促进石墨烯的实际应用。同时，我们将利用这种六方氮化硼来改善有望用作半导体的TMDC的物理性能，为下一代半导体和工业应用的发展做出贡献。在学术方面，我们正在通过多种二维材料的先进堆叠技术，构建二维材料与空间堆叠带来的理论，我们正在开发日本的“25维物质”的新概念开展研究(*7)。
已出版的杂志：自然电子学
标题：用于增强石墨烯器件阵列的多层六方氮化硼的大面积合成和转移
作者姓名：Satoru Fukamachi、Pablo Solís-Fernández、Kenji Kawahara、Daichi Tanaka、Toru Otake、Yung-Chang Lin、Kazu Suenaga、Hiroki Ago
DOI：101038/s41928-022-00911-x