技术领域
本发明涉及AlN材料，具体涉及一种二维AlN材料及其制备方法与应用。
背景技术：
2004 年，Geim 和 Novoselov 利用机械剥离法成功制备石墨烯并于2010 年获得诺贝尔物理学奖。自此，对石墨烯的研究成为物理、化学和材料科学各大领域的热点问题。由于石墨烯二维层状材料展现的新奇性质和巨大的应用前景，其它二维材料也逐渐成为科研人员的研究对象。二维层状材料相对于块体材料而言通常具有独特的力学、热学、光学、电学和磁学性质。
块体AlN材料是直接带隙半导体，带隙宽度达6.2 eV，具有稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点，是紫外光发光二极和紫外探测器管等光电子器件的理想材料。近几年，由于AlN材料的优良特性而受到广泛关注，其中AlN纳米材料尤为突出，如AlN纳米线（一维半导体）已经在实验中成功制备并由于其宽带隙和六角的几何结构在纳米级电子和光学电子器件中有广泛应用。尽管3D/1D的AlN材料被广泛的研究，目前却仍然缺乏对2D AlN材料及其制备的研究。当钎锌矿结构AlN只有几个原子层厚度时会形成一种2D石墨烯结构，由于量子限域效应，二维AlN材料的带隙会因其厚度变薄而增大，因此可广泛应用于高电子迁移率晶体管(HEMT)器件、深紫外探测器或深紫外LED等领域。因此迫切需要一种有效的方法来制备石墨烯结构的二维AlN材料。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种二维AlN材料及其制备方法与应用，采用了范德华外延的手段在石墨烯与衬底层间成功制备得到了1~3原子层的二维AlN材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种二维AlN材料的制备方法，包括以范德华力结合在衬底层上的石墨烯层，生长在衬底层和石墨烯层之间的二维AlN结构，生长在石墨烯层之上的AlN层，具体包括以下步骤：
（1）衬底以及衬底晶向的选取；
（2）对衬底进行表面清洁处理；
（3）将石墨烯层转移至衬底层上实现范德华力结合；
（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得衬底放入退火室内，在950~1050 ºC下对衬底进行退火处理，获得原子级平整的衬底表面；
（5）将步骤（4）中所得到的衬底/石墨烯转移至MOCVD生长室内，通入H2打开石墨烯层并钝化衬底表面，具体工艺为：加热衬底温度为900~1000 ℃，H2流量保持为80~100 sccm，通入H2的时间为5~10 min；
（6）采用MOCVD工艺生长二维AlN层，具体工艺为：在衬底温度为900~1000 ℃下，通入（三甲基铝）TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al&N原子进入石墨烯层与衬底层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为200~300 sccm，NH3流量为10~30 sccm，通入TMAl、NH3的时间均为40~60 s，得二维AlN材料。
优选的，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或MgAl2O4氧化物衬底。
优选的，步骤（1）所述晶向的选取，具体为：若衬底为Si衬底时，以(111) 面偏(110) 方向0.2~1 °为外延面，晶体外延取向关系为：AlN 的(0002) 面平行于Si的(111)面。
优选的，步骤（2）所述对衬底进行表面清洁处理，具体为：将衬底放入水中室温下超声清洗5~10分钟，去除衬底表面粘污颗粒，再经过乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的衬底用高纯干燥氮气吹干。
优选的，步骤（3）所述石墨烯层转移至衬底层上的工艺，具体为：将石墨烯层释放到水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至目标衬底上。
优选的，步骤（4）所述退火处理的时间为0.5~1 h。
由以上所述的制备方法制得的二维AlN材料。
优选的，该二维AlN材料由下至上依次为衬底层（1）、二维AlN结构层（2）、石墨烯层（3）和AlN层（4），所述二维AlN结构层（2）生长在衬底层（1）和石墨烯层（3）之间，所述AlN层（4）生长在石墨烯层（3）上。
优选的，所述衬底层厚度为420~550 μm；
优选的，所述二维AlN结构层厚度为2~5 nm；
优选的，所述石墨烯层厚度为2~5 nm；
优选的，所述AlN层厚度为300~400 nm；
以上所述的二维AlN材料应用于制备HEMT器件、深紫外探测器或深紫外LED中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明利用范德华外延的手段在石墨烯与衬底层间成功制备得到了1~3原子层的二维AlN材料，得到的二维AlN材料可广泛应用于HEMT器件、深紫外探测器或深紫外LED等领域。
（2）本发明在衬底层上进行石墨烯层的转移工艺，缩短了直接生长石墨烯层所耗时间，成本低廉。
（3）本发明提出的制备方法工艺简单、省时高效。
附图说明
图1为实施例1制备的二维AlN的截面示意图。
图2为实施例1制备的二维AlN中的拉曼图谱。
图3为实施例1制备的二维AlN的扫描电镜表征图像。
图4是实施例1制备的二维AlN的能谱图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
生长在Si衬底上的二维AlN材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111) 面偏(110) 方向0.2 °为外延面，晶体外延取向关系为：AlN 的(0002) 面平行于Si的(111)面；
（2）对衬底进行表面清洁处理，具体工艺为：将Si衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除Si衬底表面粘污颗粒，再经过乙醇洗涤，去除表面有机物，清洗后的Si衬底用高纯干燥氮气吹干；
（3）将石墨烯层转移至衬底层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到去离子水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至Si衬底上；
（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得Si衬底放入退火室内，在950 ºC下对Si衬底进行退火处理0.5 h，获得原子级平整的Si衬底表面；
（5）将步骤（4）中所得到的Si衬底/石墨烯转移至MOCVD生长室内，然后通入H2打开石墨烯层并钝化Si衬底表面。具体工艺为：衬底温度为900 ℃，H2流量保持为80 sccm，通入H2的时间为5 min；
（6）采用MOCVD工艺生长二维AlN层。具体工艺为：通入H2后，在衬底温度为900 ℃下，通入TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al&N原子进入石墨烯层与衬底层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为200 sccm，NH3流量为10 sccm，通入TMAl、NH3的时间均为40 s，得二维AlN材料；
如图1所示，本实施例制备的生长在Si衬底上的二维AlN材料，它包括Si衬底1，以范德华力结合在Si衬底层上的石墨烯层3，生长在Si衬底层和石墨烯层之间的二维AlN结构2，生长在石墨烯层之上的AlN层4。Si衬底层、二维AlN结构层、石墨烯层和AlN层的厚度分别是420 μm，2 nm，4 nm，300 nm。
图2为本实施例制备的二维AlN中的拉曼图谱，由图可见，在1354 cm-1，1588 cm-1和2697 cm-1分别对应着石墨烯的D峰（1350 cm-1左右）、G峰（1587 cm-1左右）和2D峰（2700 cm-1左右），证实了石墨烯的存在。
图3是本实施例制备的二维AlN的扫描电镜表征图像，可见，在Si衬底/石墨烯层上外延生长出了层状的二维AlN，表面的皱褶区域可能是由于石墨烯的缺陷和不均匀造成的。
图4是本实施例制备的二维AlN的能谱图。可见，对外延薄膜存在C、N、Al和Si元素，证实了二维AlN和石墨烯的存在。
实施例2
生长在蓝宝石衬底上的二维AlN材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底以及其晶向的选取：采用c面蓝宝石衬底，以(0001) 面偏(1-100) 方向0.6 °为外延面，晶体外延取向关系为：AlN 的(0002) 面平行于蓝宝石的(0001) 面；
（2）对衬底进行表面清洁处理，具体工艺为：将蓝宝石衬底放入去离子水中室温下超声清洗8分钟，去除蓝宝石衬底表面粘污颗粒，再依次经过乙醇洗涤，去除表面有机物，清洗后的蓝宝石衬底用高纯干燥氮气吹干；
（3）将石墨烯层转移至衬底层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到去离子水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至蓝宝石衬底上；
（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得蓝宝石衬底放入退火室内，在1000 ºC下对蓝宝石衬底进行退火处理1 h，获得原子级平整的蓝宝石衬底表面；
（5）将步骤（4）中所得到的蓝宝石衬底/石墨烯转移至MOCVD生长室内，然后通入H2打开石墨烯层并钝化蓝宝石衬底表面。具体工艺为：衬底温度为1000 ℃，H2流量保持为100 sccm，通入H2的时间为8 min；
（6）采用MOCVD工艺生长二维AlN层。具体工艺为：通入H2后，在衬底温度为950 ℃下，通入TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al&N原子进入石墨烯层与衬底层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为300 sccm，NH3流量为30 sccm，通入TMAl、NH3的时间均为60 s，得二维AlN材料；
本实施例制备的生长在c面蓝宝石衬底上的二维AlN材料，它包括c面蓝宝石衬底，以范德华力结合在c面蓝宝石衬底层上的石墨烯层，生长在c面蓝宝石衬底层和石墨烯层之间的二维AlN结构，生长在石墨烯层之上的AlN层。c面蓝宝石衬底层、二维AlN结构层、石墨烯层和AlN层的厚度分别是480 μm，5 nm，2 nm，400 nm。
本实施例制备的生长在蓝宝石衬底上的二维AlN材料测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
实施例3
生长在MgAl2O4衬底上的二维AlN材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）衬底以及其晶向的选取：采用MgAl2O4衬底，以(111) 面偏(110) 方向1.0 °为外延面，晶体外延取向关系为：AlN 的(0002) 面平行于MgAl2O4的(111) 面；
（2）对衬底进行表面清洁处理，具体工艺为：将MgAl2O4衬底放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除MgAl2O4衬底表面粘污颗粒，再依次经过乙醇洗涤，去除表面有机物，清洗后的MgAl2O4衬底用高纯干燥氮气吹干；
（3）将石墨烯层转移至衬底层上实现范德华力结合，具体为：将石墨烯层释放到去离子水中，利用除泡膜去除石墨烯表面的气泡，将除完气泡的石墨烯膜层转移至MgAl2O4衬底上；
（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得MgAl2O4衬底放入退火室内，在1050 ºC下对MgAl2O4衬底进行退火处理0.8 h，获得原子级平整的MgAl2O4衬底表面；
（5）将步骤（4）中所得到的MgAl2O4衬底/石墨烯转移至MOCVD生长室内，然后通入H2打开石墨烯层并钝化MgAl2O4衬底表面。具体工艺为：衬底温度为950 ℃，H2流量为保持为90 sccm，通入H2的时间为10 min；
（6）采用MOCVD工艺生长二维AlN层。具体工艺为：通入H2后，在衬底温度为1000 ℃下，通入TMAl与NH3在衬底表面作用，使Al&N原子进入石墨烯层与衬底层之间并反应形成AlN，保持TMAl流量为250 sccm，NH3流量为25 sccm，通入TMAl、NH3的时间均为50 s，得二维AlN材料；
本实施例制备的生长在MgAl2O4衬底上的二维AlN材料，它包括MgAl2O4衬底，以范德华力结合在MgAl2O4衬底层上的石墨烯层，生长在MgAl2O4衬底层和石墨烯层之间的二维AlN结构，生长在石墨烯层之上的AlN层。MgAl2O4衬底、二维AlN结构层、石墨烯层和AlN层的厚度分别是550 μm，4 nm，5 nm， 350 nm。
本实施例制备的生长在蓝宝石衬底上的二维AlN材料测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。