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六方氮化硼可为二氧化钒在未来电子业中开辟新的可能性

发布日期:2019-03-02 作者: 点击:

     2月27日,日本科学家在NATURE上发表一篇题为”Growthof vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes astransferrablesubstrates”(二氧化钒薄膜在六方氮化硼薄片上生长可实现可转移衬底)的科研成果,证明六方氮化硼(hBN)作为VO2的基底供其生长时,可使二氧化钒(VO2)薄膜得以转移到金属或柔性聚合物等其他衬底上。预计这种制造技术将能使得VO2器件的应用范围得到进一步扩展。

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     VO2被誉为是未来电子业的革命性材料,它的一个关键特性就是它在室温下是绝缘体,但在温度高于68摄氏度后其原子结构会从室温晶体结构转变为金属结构(导体)。这种被称为金属-绝缘体转变(MIT的独特特性,使得它成为取代硅材料用于新一代低功耗电子设备的理想选择。目前,VO2材料的光电器件应用主要以薄膜状态为主,已被成功地应用于电致变色器件、光学开关、微电池、节能涂层和智能窗以及微测辐射热装置等多种领域。

生长衬底种类

通常情况下,VO2薄膜会在氧化物衬底上制备,因为结晶通常需要高温氧气处理,如氧化铝(Al2O3)晶体和二氧化钛(TiO2)等。但也有部分非氧化物材料可被用作VO2生长的衬底,例如硅(Si)、锗和氮化镓,同样能呈现合理的MIT特性。原则上,在刚性衬底上的器件的制造是基于其他组件与VO2自上而下的集成。然而,如果可以在薄的可转移衬底上制备VO2薄膜,预期器件应用的范围将进一步扩展,例如柔性器件。因此近年来,随着二维(2D)层状材料的研究进展,层状材料作为VO2薄膜生长的可转移衬底引起了人们的兴趣。

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左:支撑衬底上的hBN薄片上生长VO2薄膜的示意图。

右:由于hBN与基板之间仅有弱范德华力,预期VO2和hBN的堆叠可从原始基板转移到任何材料和几何形状的目标基板上。

      根据论文,日本科学家是通过使用胶带,将hBN薄片从块状单晶上机械剥离到285nm厚的二氧化硅层的Si衬底上——由于剥离的六方氮化硼薄片缺陷极少,因此具有原子级平坦的表面。接着科学家再用O2在500℃的环境压力下对hBN薄片进行3.5小时处理来去除胶带残留物,最后通过脉冲激光沉积法使VO2薄膜生长到hBN上。

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    上图是VO2薄膜生长之后,在SiO2/ Si的上hBN薄片的典型光学图像,从SiO2上剥离的hBN薄片的横向尺寸范围可达数百微米长。

    由于BN的晶体特性,它与VO2仅通过弱范德华力连接在Si衬底上,用机械剥离方法即可克服,因此hBN/VO2可以从Si上转移到任意VO2薄膜不能直接生长的基底上。科学家们认为这次的成果将能为VO2薄膜在电子和光子学中的实际应用开辟新的可能性。





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