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1/n29-Jan-20二维半导体的性能及制备方法田轶群湖北大学物理学与电子科学院2/n六角氮化硼的性能1.机械性能2.光学性能3.电学性能3/n1.六角氮化硼晶格结构晶格结构γ=1200α=β=900a=b=0.24040AC=0.66612nm,4/n以B-N-B共價鍵相結合分子之間以分子的作用力相連和石墨烯的结构相似5/n名称弹性模量单层石墨烯1.1TPa——125GPa石墨202Pa单层六角氮化硼0.198——0.328TPa块装六角氮化硼160Pa弹性模量定义：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量意义：弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小六角氮化硼比石墨更软，更容易制得单层纳米薄膜6/n电学性能•导体：能量最高的满带与最低的空带有重叠，结果两个能带都不满。•非导体：能量最高的满带与最低的空带没有重叠，被禁带分开，这种晶体是绝缘体或半导体名称禁带宽度窄禁带半导体0-3ev宽禁带半导体3-6ev绝缘体6ev以上7/n名称禁带宽度块状h-BN5.2ev单层h-BN5.97ev石墨烯0ev六角氮化硼结构虽然和石墨烯结构相似但是它的禁带宽度宽禁带半导体，石墨的禁带宽度为零是一种半金属。8/n光学性能•介质对光的吸收•光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。光的这种能量的损失，称光的吸收。9/n•但在紫外区出现了紫外吸收边，此时光子能量达到禁带宽度，电子就会吸收光子能量发生跃迁，此时吸收系数将骤然增大。此外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得：h=6.63×10-34J.s根据六角氮化硼的禁带宽度Eg=5.97ev算出最小吸收波长为250nm在紫外光段外它的光吸收系数小所以透光率高10/n其他性能•1.高耐热性,能耐2000度的高温,直到3000度时才升华。2.高导热性,六方氮化硼具有良好导热性,是众多陶瓷材料中导热最大的材料之一。3.良好的高温稳定性,在处于氧化氛围中时,抗氧化温度可达到900度,当在真空条件下时,更是可以达到2000度4.化学性质稳定,具有良好的耐腐烛性,和一般的无机酸、碱、或者氧化剂不发生反应,对几乎所有溶融金属都呈现化学惰性。•5.吸收中子,氮化硼还具有非常强的中子吸收能力,可以用来做反应堆中吸收中子的控制棒,以及用来制作防中子福射的防护装置。11/n2.制备方法1.机械分离法2.液相分离3.热分解4.化学气相淀积12/n1.机械分离石墨机械分离法：采用粘胶带的方式,胶带采用特殊的3M透明胶带。使用镊子夹取16cm长的思高牌胶带贴附在高定向热解石墨片表面,轻轻压实,使胶带和石墨片紧紧贴附,慢慢撕下。胶带表面会粘附有很薄的一层石墨薄片,然后把胶带的两端对折,使石墨薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间,轻轻的压实,慢慢撕下,平稳的将石墨薄片一分为二。重复3到10次剥离,直到胶带上出现颜色如墨水斑点一样的石墨薄片。小心的将附有石墨薄片的胶带贴附在氧化的硅片上,轻轻挤压掉胶带和硅片之间的空气,使样品和胶带完全贴附,保持10min,慢慢从硅片表面撕下胶带。这时数千小片石墨都粘到了硅片上,而其中部分样品就是少层、甚至单层的石墨烯。六角氮化硼与石墨机械分离相似。13/n2.液相分离原理：将散的六角氮化硼放置有机溶剂中，使其分子之间的作用力减弱。再用超声使其分离产生单层的六角氮化硼的纳米片。14/n3.热分解•热分解硼吖嗪（HBNH）3金属与绝缘体接触面的弱物理吸附作用可以金属寸底生长一层六角氮化硼这个方案有3个步骤：•1.通过热分解的硼吖嗪，h—BN分子在金属表面形成3毫微米周期和2个毫微的孔径的纳米网图形•2.在低温硼吖嗪分子吸附完整的在金属表面与分子环平行衬底表面。•3.经过脱氢反应形成六角氮化硼薄膜15/n热分解硼吖嗪形成3毫微米周期，2毫微米的纳米网孔径大小由金属基板和薄膜晶格匹配度决定16/n在低温条件硼吖嗪吸附在基板表面脱氢分解金属与绝缘体的物理吸附作用比较弱，所以很难形成多层六角氮化硼薄膜17/n化学气相淀积原理：利用气相反应，在高温、等离子或激光辅助等条件下控制反应气压、气流速率、基片材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶化过程，从而获得纳米结构的薄膜材料。分类：常压、低压、等离子体辅助气相沉积等应用：在制备半导体、氧化物、氮化物、碳化物纳米薄膜材料中得到广泛应用。反应温度：大约为900～2000℃，它取决于沉积物的特性。18/n•1.Shietal.reportedafewlayerh-BNthinfilmgrownonNiinanambientpressurechemicalvapordeposition(APCVD)systemwithborazine(B3N3H6).Theobtainedh-BNfilmsshowedthethicknessintherangeof5to50nmandalateralsizeofabout20mm,whichwasonlylimitedbythesizeoftheNisingle-crystalgrains•2.Songetal.reportedonthelargeareasynthesisof•h-BNfilmsconsistingoftwotofiveatomiclayers,usingCVDwiththesolidstateboronsourceammoniaborane(NH3-BH3).19/nMethodStructureEnvironmentYieldWidthMechanicalexfoliationNanosheetsLowLargethan100mmLiquidexfoliationNanosheetsInvariousorganicsolventsHighLessthan100nmThermaldecompositionNanomeshs3107mbar,800ConmetalsurfacesVerylowNano-tomicroscopiclengthscaleChemicalsynthesisNanosheets900CinanitrogenatmosphereHighSeveralhundrednmCentimeter-scal20/n过渡金属过渡金属第一过渡系第二过渡系第三过渡系第四过度系21/n2.过渡金属的二硫化物•过渡金属的二硫化物与石墨有着相似结构，分子是以共价键相连分子与分子之间以范力相连22/n•过渡金属的二硫化物分子（MX2）主要有两结构一个M原子与三个X原子相邻一个M原子与六个X原子相邻23/nMos2的性能电学性能光学性能机械性能24/n电学性能ThesimplifiedbandstructureofbulkMoS2,showingthelowestconductionbandc1andthehighestsplitvalencebandsv1andv2.AandBarethedirect-gaptransitions,andIistheindirect-gaptransition.E,gistheindirectgapforthebulk,andEgisthedirectgapforthemonolayer.散二硫化钼禁带宽度为1.29ev单层二硫化钼的禁带宽度1.9ev25/n光学性能26/n•Absorption(a)andphotoluminescence(b)spectraofMoS2thinfilmswithaveragethicknessesrangingfrom1.3to7.6nm.Insetsof(a)and(b)showenergyoftheAexcitonpeakasafunctionofaveragefilmthickness.Thepeakenergieswereextractedfromtheabsorptionandphotoluminescencespectrainthemainpanel,respectively.(c)NormalizedPLspectrabytheintensityofpeakAofthinlayersofMoS2forN=1–6.FeatureIforN?4–6ismagnifiedandthespectraaredisplacedforclarity.(d)BandgapenergyofthinlayersofMoS2,inferredfromtheenergyofthePLfeatureIforN=2–6andfromtheenergyofthePLpeakAforN=1.Thedashedlinerepresentsthe(indirect)bandgapenergyofbulkMoS227/n机械性能物品杨氏模量单层二硫化钼270±100GPa双层二硫化钼200±60GPa块状二硫化钼0.24TGPa石墨202Pa二硫化钼比石墨更软可以作为良好的润滑剂28/nMoS2用途MoS2润滑剂半导体荧光标记催化剂29/n合成方法化学分离水热合成化学气相淀积30/n1.化学分离•.电化学插入法：𝐿𝑖+Li棒𝐿𝑖+放电31/n2.化学分离•原理：将MoS2加入1.5倍的丁基锂（1.6mol∕L乙烷中）中在氩气环境下放置一周。•MoS2+n-BuLi/LiMoS2+1/2C8H18•LiMoS2+H2O/(MoS2)exfoliatedlayers+LiOH+1/2H2∕∕∕∕300-800nm1-1.2nm退火（200-300）32/n3.水热合成•1.用MoO3和KSCN在低温条件进行水热反应4MoO3+9𝑆𝐶𝑁−+14𝐻2𝑂⟶4𝑀𝑜𝑆2+𝑆𝑂42−+𝑁𝐻4++4𝐶𝑂32−+8NH3(g)+5CO2(g)33/n