2023年2月7日，由九州大學全球創新中心、大阪大學科學與工業研究所和國家先進工業科學技術研究所組成的聯合研究小組，宣布成功合成了均勻多層六方氮化硼，并已使用該技術改善了大型石墨烯器件的性能。

研究背景

在半導體微型化接近極限的現狀下，石墨烯等超薄二維原子片有望成為引領下一代半導體發展的“二維材料”。其中，石墨烯是最具代表性的一種，在物質中載流子遷移率最高，被應用于IC和傳感器；另外過渡金屬二硫化物(TMDC)也是二維材料，可以像硅一樣在半導體中用作通道材料。不過，這些二維材料的大部分組成原子都暴露在表面上，因此在應用時由于表面帶電以及表面吸附的氧和水分的影響，無法完全發揮本身的特性。

多層六方氮化硼在石墨烯器件中的重要性

左：（無多層hBN）由于基板的不平整以及氣體的吸附作用，石墨烯特性無法完全發揮；右：（有多層hBN）多層氮化硼很好地保護了石墨烯

于是科學家想到，如果能使用六方氮化硼（hBN）保護上下層石墨烯，就可以顯著改善電學和光學性能，并可以利用石墨烯的特性。然而在當時，大面積均勻合成多層hBN的技術尚未建立。

研究進展

為了制備出均勻多層hBN，研究團隊使用主要由Fe和Ni組成的市售合金箔，在加熱至約1200℃的反應器中，在合金箔表面采用化學氣相沉積法(CVD)合成了多層厚度為2-10 nm的hBN。下圖右是從Fe-Ni合金箔轉移到硅基板上的多層hBN的照片以及用光學顯微鏡拍攝的放大照片。可以看出，得到了厚度比較均勻、色澤不均勻的多層膜。

由于多層hBN和石墨烯是在金屬上合成的，因此科學家使用不留金屬殘留物的電化學方法（而不是蝕刻法），對多層hBN進行了轉移，并與石墨烯堆積在一起，下圖是轉移的過程。

多層hBN與石墨烯轉移制備hBN-石墨烯疊層結構方案

最后，器件被制造出來并進行了評估。石墨烯/hBN堆疊器件的橫截面電子顯微照片及其元素分析顯示，在11層多層hBN的頂面存在一層石墨烯（下圖c）。對60多個器件進行的系統比例比較表明，電化學方法比蝕刻方法表現出更高的遷移率，并且通過將石墨烯夾在hBN之間實現了遷移率的最顯著增加（下圖d）。

(a) 石墨烯器件的光學顯微鏡圖像、(b) 石墨烯/hBN 器件的放大光學顯微鏡圖、(c) 橫截面電子顯微鏡圖像、(d) 各種器件的載流子遷移率比較

未來，該課題組將進一步提高hBN的均勻性，以增加hBN的面積為目標。此外，通過抑制轉移過程中出現的褶皺和氣泡，以進一步提高石墨烯器件的特性，為下一代半導體和工業應用的開發做出貢獻。

粉體圈Coco編譯

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。