2023年2月7日，由九州大學(xué)全球創(chuàng)新中心、大阪大學(xué)科學(xué)與工業(yè)研究所和國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所組成的聯(lián)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(shù)改善了大型石墨烯器件的性能。

在半導(dǎo)體微型化接近極限的現(xiàn)狀下，石墨烯等超薄二維原子片有望成為引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體發(fā)展的“二維材料”。其中，石墨烯是最具代表性的一種，在物質(zhì)中載流子遷移率最高，被應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用時(shí)由于表面帶電以及表面吸附的氧和水分的影響，無(wú)法完全發(fā)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(wú)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(wú)法完全發(fā)揮；

右：（有多層hBN）多層氮化硼很好地保護(hù)了石墨烯。

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

為了制備出均勻多層hBN，研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)器中，在合金箔表面采用化學(xué)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(zhuǎn)移到硅基板上的多層hBN的照片以及用光學(xué)顯微鏡拍攝的放大照片?？梢钥闯觯玫搅撕穸缺容^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(xué)家使用不留金屬殘留物的電化學(xué)方法（而不是蝕刻法），對(duì)多層hBN進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，并與石墨烯堆積在一起，下圖是轉(zhuǎn)移的過程。

多層hBN與石墨烯轉(zhuǎn)移制備hBN-石墨烯疊層結(jié)構(gòu)方案

最后，器件被制造出來并進(jìn)行了評(píng)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(duì)60多個(gè)器件進(jìn)行的系統(tǒng)比例比較表明，電化學(xué)方法比蝕刻方法表現(xiàn)出更高的遷移率，并且通過將石墨烯夾在hBN之間實(shí)現(xiàn)了遷移率的最顯著增加（下圖d）。

(a) 石墨烯器件的光學(xué)顯微鏡圖像

(b) 石墨烯/hBN器件的放大光學(xué)顯微鏡圖像

(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(jìn)一步提高h(yuǎn)BN的均勻性，以增加hBN的面積為目標(biāo)。此外，通過抑制轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)的褶皺和氣泡，以進(jìn)一步提高石墨烯器件的特性，為下一代半導(dǎo)體和工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)做出貢獻(xiàn)。