一种六方氮化硼薄膜的转移方法
【专利摘要】本发明公开了一种六方氮化硼薄膜的转移方法，现有的化学气相沉积法(CVD)制备的二维(2D)原子层材料，通常是长在金属催化剂表面上的，然后用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作辅助，将2D材料转移到目标基底上，最后用有机溶剂去除PMMA。但是有机溶剂难以完全去除PMMA，会有部分残留在2D材料表面，造成污染，即使高温氧化或气氛还原也无法将其完全清除。本专利在被转移的2D材料六方氮化硼和PMMA之间引入中间层，在实现六方氮化硼向基底转移的同时避免了PMMA对六方氮化硼的表面污染。
【专利说明】
一种六方氮化硼薄膜的转移方法
技术领域
[0001 ]本发明属于材料技术领域，具体涉及一种六方氮化硼薄膜的转移方法。
【背景技术】
[0002]化学气相沉积法(CVD)制备的二维(2D)原子层薄膜材料，通常是长在金属催化剂表面上的，然后用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作辅助，将2D材料转移到目标基底上，最后用有机溶剂去除PMMA。但是有机溶剂难以完全去除PMMA，会有部分残留在2D材料表面，造成污染，即使高温氧化或气氛还原也无法将其完全清除。六方氮化硼薄膜是一种重要的2D薄膜材料。本专利在被转移的六方氮化硼材料和PMMA间引入中间层，将2D材料与PMMA阻隔开，避免PMMA残留，用这种方法成功实现了转移，无PMMA残留。
【发明内容】
[0003]本发明针对金属表面生长的六方氮化硼(h-BN)薄膜在采用PMMA辅助法向其它目标基底转移过程中表面存在PMMA污染，提出了一种六方氮化硼薄膜的转移方法。
[0004]传统的PMMA辅助转移法会在2D原子层表面残留碳化物，残留的PMMA很难完全去除，我们尝试在PMMA和2D材料之间加入中间层，避免两者直接接触的方法进行转移。中间层采用可溶于酸或碱的氧化物薄膜。(a)铜箔(Cu)表面生长h-BN，形成h-BN/Cu结构；(b)在h-BN表面生长氧化硅(S12)薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化硅作为中间层；(c)在Si02/h-BN/Cu表面旋涂一层PMMA，形成PMMA/Si02/h-BN/Cu结构，PMMA起到支撑体系的作用，便于过程操作；(d)用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h_BN结构；(e)转移至硅(Si)等基底表面形成“PMMA/Si02/h-BN/基底”结构；(f)在氢氟酸(HF)稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h-BN/基底”分离，实现h-BN向基底的转移。该转移方案中，柔性S12层隔离h-BN和PMMA，PMMA可以支撑体系，不使用有机溶剂避免了 PMMA因溶解带来的污染。
[0005]本发明一种六方氮化硼薄膜的转移方法的具体步骤是:
[0006]步骤(I )、铜箔(Cu)表面生长h-BN，形成的h-BN/Cu结构。
[0007]将铜箔放在石英管中，石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为I?3:2，将电炉温度升至900?1000 °C后保温5?30分钟。电炉温度升至900?1000°C后向石英管内通入硼氨烷蒸气，20?30分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度40?100°C。电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得h-BN/Cu结构材料。
[0008]步骤(2)、在h-BN/Cu表面生长氧化硅(S12)薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化硅作为中间层。
[0009]将h-BN/Cu放入石英管中，石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为I?3:2，将电炉温度升至900?1000°C后保温5?30分钟。电炉温度升至900?1000°(:后向石英管内通入正硅酸乙酯蒸气，20?30分钟后关闭通入正硅酸乙酯蒸气。正硅酸乙酯蒸气通过水浴加热正硅酸乙酯产生，水浴温度40?100°C。电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得Si02/h-BN/Cu结构材料。
[0010]步骤(3)、在 Si02/h-BN/Cu 结构材料表面旋涂一层 PMMA，形成 PMMA/Si02/h-BN/Cu结构材料。
[0011 ]通过旋涂镀膜机在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂5?50nm厚度的PMMA薄膜。旋涂时PMMA的苯甲醚溶液浓度为I %-10%(质量比)，旋涂机转速为2500-3500转/分钟，旋涂后在空气中干燥5?30分钟形成PMMA薄膜黏附在Si02/h-BN/Cu结构材料表面。
[0012]步骤(4)、用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h_BN结构材料。
[0013]将PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料浸入氯化铁溶液中浸泡10?60分钟去除金属铜片，获得PMMA/Si02/h_BN结构材料。
[0014]步骤(5)、PMMA/Si02/h-BN结构材料转移至基底表面形成“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料。
[0015]步骤(6)、在氢氟酸(HF)稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h_BN/基底”分离，实现h-BN向基底的转移。
[0016]将“PMMA/S i02/h-BN/基底”结构材料放入I?1 % (体积比)氢氟酸(HF)稀溶液中，20?60分钟后取出，获得“h-BN/基底”结构材料。
[0017]上述基底是指:硅、蓝宝石、氮化镓。
[0018]本发明的有益效果:本发明方法通过在PMMA和h-BN之间增加氧化硅中间层的方法，避免了六方氮化硼薄膜向基底转移过程中PMMA对六方氮化硼的污染。
【具体实施方式】
[0019]实施例1:
[0020]步骤(I )、铜箔(Cu)表面生长h-BN，形成的h-BN/Cu结构。
[0021]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:2，将电炉温度升至900°C后保温5分钟。同时向石英管内通入硼氨烷蒸气，20分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度40°C。电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得h-BN/Cu结构材料。
[0022]步骤(2)、在h-BN表面生长氧化硅(S12)薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化硅作为中间层。
[0023]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:2，将电炉温度升至900 0C后保温5分钟。同时向石英管内通入正硅酸乙酯蒸气，20分钟后关闭通入正硅酸乙酯蒸气。正硅酸乙酯蒸气通过水浴加热正硅酸乙酯产生，水浴温度40 0C ο电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得Si02/h-BN/Cu 结构材料 ο
[0024]步骤(3)、在Si02/h-BN/Cu 结构材料表面旋涂一层 PMMA，形成 PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料。
[0025]通过旋涂镀膜机在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂5nm厚度的PMMA薄膜。旋涂时PMMA的苯甲醚溶液浓度为I %(质量比)，旋涂机转速为2500转/分钟，旋涂后在空气中干燥5分钟形成PMMA薄膜黏附在Si02/h-BN/Cu结构材料表面。
[0026]步骤(4)、用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h-BN结构材料。
[0027]将PMMA/Si02/h-BN/Cu结构材料浸入氯化铁溶液中浸泡10分钟去除金属铜片，获得PMMA/Si02/h-BN结构材料。
[0028]步骤(5)、PMMA/Si02/h-BN结构材料转移至硅(Si)、蓝宝石等基底表面形成“PMMA/Si02/h-BN/基底”结构材料。
[0029]步骤(6)、在氢氟酸(HF)稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h_BN/基底”分离，实现h-BN向基底的转移。
[0030]将“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料放入I% (体积比)氢氟酸(HF)稀溶液中，20分钟后取出，获得“h-BN/基底”结构材料。
[0031]实施例2:
[0032]步骤(I )、铜箔(Cu)表面生长h-BN，形成的h-BN/Cu结构。
[0033]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:1，将电炉温度升至950°C后保温20分钟。同时向石英管内通入硼氨烷蒸气，25分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度70 V ο电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为25°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得h-BN/Cu结构材料。
[0034]步骤(2)、在h-BN表面生长氧化硅(S12)薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化硅作为中间层。
[0035]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为1:1，将电炉温度升至950 0C后保温20分钟。同时向石英管内通入正硅酸乙酯蒸气，25分钟后关闭通入正硅酸乙酯蒸气。正硅酸乙酯蒸气通过水浴加热正硅酸乙酯产生，水浴温度60 0C ο电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为25°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得Si02/h-BN/Cu 结构材料 ο
[0036]步骤(3)、在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂一层PMMA，形成PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料。
[0037]通过旋涂镀膜机在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂25nm厚度的PMMA薄膜。旋涂时PMMA的苯甲醚溶液浓度为6 % (质量比)，旋涂机转速为3000转/分钟，旋涂后在空气中干燥20分钟形成PMMA薄膜黏附在Si02/h-BN/Cu结构材料表面。
[0038]步骤(4)、用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h-BN结构材料。
[0039]将PMMA/Si02/h-BN/Cu结构材料浸入氯化铁溶液中浸泡30分钟去除金属铜片，获得PMMA/Si02/h-BN结构材料。
[0040]步骤(5)、PMMA/Si02/h-BN结构材料转移至硅(Si)、蓝宝石等基底表面形成“PMMA/Si02/h-BN/基底”结构材料。
[0041 ]步骤(6)、在氢氟酸(HF)稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h_BN/基底”分离，实现h-BN向基底的转移。
[0042]将“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料放入5%(体积比)氢氟酸(HF)稀溶液中，40分钟后取出，获得“h-BN/基底”结构材料。
[0043]实施例3:
[0044 ] 步骤(I )、铜箔(Cu)表面生长h-BN，形成的h-BN/Cu结构。
[0045]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为3: 2，将电炉温度升至100tC后保温30分钟。同时向石英管内通入硼氨烷蒸气，30分钟后关闭通入硼氨烷蒸气。硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度100°C。电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为30°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得h-BN/Cu结构材料。
[0046]步骤(2)、在h-BN表面生长氧化硅(S12)薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化硅作为中间层。
[0047]石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为3:2，将电炉温度升至1000°C后保温30分钟。同时向石英管内通入正硅酸乙酯蒸气，30分钟后关闭通入正硅酸乙酯蒸气。正硅酸乙酯蒸气通过水浴加热正硅酸乙酯产生，水浴温度100°C。电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为30 °C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得Si02/h-BN/Cu结构材料。
[0048]步骤(3)、在Si02/h-BN/Cu 结构材料表面旋涂一层 PMMA，形成 PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料。
[0049]通过旋涂镀膜机在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂50nm厚度的PMMA薄膜。旋涂时PMMA的苯甲醚溶液浓度为10% (质量比)，旋涂机转速为3500转/分钟，旋涂后在空气中干燥30分钟形成PMMA薄膜黏附在Si02/h-BN/Cu结构材料表面。
[0050]步骤(4)、用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h_BN结构材料。
[0051 ]将PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料浸入氯化铁溶液中浸泡60分钟去除金属铜片，获得PMMA/Si02/h-BN结构材料。
[0052]步骤(5)、PMMA/Si02/h-BN结构材料转移至硅(Si)、蓝宝石等基底表面形成“PMMA/Si02/h-BN/基底”结构材料。
[0053]步骤(6)、在氢氟酸(HF)稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h_BN/基底”分离，实现h-BN向基底的转移。
[0054]将“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料放入10% (体积比)氢氟酸(HF)稀溶液中，60分钟后取出，获得“h-BN/基底”结构材料。
【主权项】
1.一种六方氮化硼薄膜的转移方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤: 步骤(I)、铜箔表面生长h-BN，形成的h-BN/Cu结构； 将铜箔放在石英管中，石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为I?3:2，将电炉温度升至900?1000 0C后保温5?30分钟；电炉温度升至900?1000 °C后向石英管内通入硼氨烷蒸气，20?30分钟后关闭通入硼氨烷蒸气；硼氨烷蒸气通过水浴加热硼氨烷产生，水浴温度40?100°C ;电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得h-BN/Cu结构材料； 步骤(2)、在h-BN/Cu表面生长氧化娃薄膜形成Si02/h-BN/Cu结构，氧化娃作为中间层；将h-BN/Cu放入石英管中，石英管中持续通入氩气和氢气的混合气，氩气与氢气的流量比为I?3:2，将电炉温度升至900?1000 0C后保温5?30分钟；电炉温度升至900?1000 °C后向石英管内通入正硅酸乙酯蒸气，20?30分钟后关闭通入正硅酸乙酯蒸气；正硅酸乙酯蒸气通过水浴加热正硅酸乙酯产生，水浴温度40?100°C ;电炉停止加热，将石英管冷却到常温，冷却速率为20?30°C/min，然后关闭通入氢气和氩气，取出金属片，获得Si02/h-BN/Cu结构材料； 步骤(3)、在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂一层PMMA，形成PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料； 通过旋涂镀膜机在Si02/h-BN/Cu结构材料表面旋涂5?50nm厚度的PMMA薄膜;旋涂时PMMA的苯甲醚溶液质量浓度为I %-10%，旋涂机转速为2500-3500转/分钟，旋涂后在空气中干燥5?30分钟形成PMMA薄膜黏附在Si02/h-BN/Cu结构材料表面； 步骤(4)、用氯化铁溶液去除铜形成PMMA/Si02/h_BN结构材料； 将PMMA/Si02/h_BN/Cu结构材料浸入氯化铁溶液中浸泡10?60分钟去除金属铜片，获得PMMA/Si02/h-BN 结构材料； 步骤(5)、PMMA/Si02/h_BN结构材料转移至基底表面形成“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料； 步骤(6)、在氢氟酸稀溶液中去除中间层S12，PMMA与“h-BN/基底”分离，实现h_BN向基底的转移； 将“PMMA/Si02/h_BN/基底”结构材料放入为I?10 %的氢氟酸稀溶液中，20?60分钟后取出，获得“h-BN/基底”结构材料。2.根据权利要求1所述的一种六方氮化硼薄膜的转移方法:其特征在于:所述的基底为硅、蓝宝石或氮化镓。
【文档编号】C23C16/34GK105908152SQ201610283359
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赵士超, 金圣忠, 张琪, 吴斌, 吕燕飞
【申请人】杭州电子科技大学