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Die Chinesische Akademie der Wissenschaften und andere Wissenschaftler haben Fortschritte bei der Erforschung des neuen Synthesemechanismus von hexagonalem Bornitrid erzielt

Oct 15, 2020

Kürzlich schlugen Wu Tianru, Associate Researcher am Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Yuan Qinghong, Professor an der East China Normal University, einen neuen Mechanismus für das durch Leerstellen unterstützte Wachstum hochwertiger Multilayer vorhexagonales Bornitrid (h-BN)Atome auf der Oberfläche einer Eisenbor (Fe2B) -Legierung basierend auf In-situ-Synthese, Charakterisierung und Berechnung der ersten Prinzipien. Die verwandten Forschungsergebnisse wurden online in der physikalischen Chemie unter dem Titel Vakuumunterstützter Wachstumsmechanismus von mehrschichtigem hexagonalem Bor-Nickel auf einem Fe2B-Substrat veröffentlicht.

H-BN ist aufgrund seiner flachen Oberfläche auf atomarer Ebene, keiner hängenden Bindung, hohen Wärmeleitfähigkeit und guten physikalischen und chemischen Stabilität zu einem potenziellen dielektrischen Substrat und Verpackungsmaterial für zweidimensionale Kristallvorrichtungen geworden. In den letzten Jahren hat sich das Shanghai Institute of Microsystems auf die theoretische Erforschung zweidimensionaler Kristalle, der Gerätetechnologie und der Anwendung in großem Maßstab konzentriert und Forschungen auf den Gebieten des einschichtigen Wachstums von h-BN-Einkristallen, des Aufbaus von Heterostrukturen und durchgeführt Hochwertige mehrschichtige h-BN-Zubereitung (Nature Communications, 2015, 6, 6160; Advanced Science, 2017, 4, 1700076; Nature Communications, 2020, 11, 849). Aufgrund der langsamen Entwicklung der fortschrittlichen Synthesetechnologie von h-BN und des Mangels an Forschung zum Wachstumsmechanismus traditioneller Methoden sind die kontrollierbare Synthese und die praktische Anwendung von h-BN in großem Maßstab und hoher Qualität begrenzt.

Basierend auf dem Fe2B-Legierungssystem realisierte das Wu tianru-Forschungsteam die kontrollierbare Herstellung von hochwertigem h-BN. Durch schnelle Abkühl- und Abschrecktechnologie in Kombination mit Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF SIMS) wurde die Verteilung von B- und N-Atomen in der oberflächlichen Schicht von Fe2B analysiert. Das Forscherteam von Yuan Qinghong&verwendete die Berechnungsmethode der ersten Prinzipien, um den Wachstumsmechanismus von h-BN auf der Fe2B-Oberfläche zu untersuchen, und schlug den Mechanismus der freien Synthese von h-BN auf der Fe2B-Oberfläche vor. Es wurde gefunden, dass die Bildung von BN-Dimer eine große Anzahl von B-Leerstellen auf der Legierungsoberfläche erzeugt, was die Migration von B- und N-Atomen fördert. Die Diffusion von B- und N-Atomen in Fe2B-Substrat muss nur die Energiebarriere von weniger als 1,5 EV überwinden, wodurch sich eine große Menge von N-Atomen in der Nähe der katalytischen Oberfläche löst. Durch Berechnung und Anpassung der Bildungsenergie und der Gibbs-freien Energie von BN-Clustern unterschiedlicher Größe wird außerdem festgestellt, dass die h-BN-Kernbarriere auf der Fe2B-Oberfläche etwa 2 ev beträgt. Daher ist es möglich, h-BN bei relativ niedriger Temperatur (700 K) zu synthetisieren. Der neue Mechanismus von&"Leerstand unterstützt GG"; Das in dieser Studie vorgeschlagene Wachstum löst das Problem des Fehlens eines Katalysators mit hoher N-Löslichkeit und Diffusionsrate bei der traditionellen Synthese von mehrschichtigem h-BN und bietet Raum für die Anwendung von h-BN in zweidimensionaler Nanoelektronik und neu entstehenden mikroelektronischen Bauelementen .

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Abb. 1. Schematische Darstellung des Synthesemechanismus von mehrschichtigem h-BN auf der Oberfläche der Fe2B-Legierungsoberfläche und der oberflächennahen N-Atom-Diffusionsenergiekurve

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Abb. 2. Verteilung der B- und N-Atome in der Oberflächenschicht der Fe2B-Legierung basierend auf TOF SIMS