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    六方氮化硼可為二氧化釩在未來電子業中開辟新的可能性

    發布日期:2019-03-02 作者: 點擊:

         2月27日,日本科學家在NATURE上發表一篇題為”Growthof vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes astransferrablesubstrates”(二氧化釩薄膜在六方氮化硼薄片上生長可實現可轉移襯底)的科研成果,證明六方氮化硼(hBN)作為VO2的基底供其生長時,可使二氧化釩(VO2)薄膜得以轉移到金屬或柔性聚合物等其他襯底上。預計這種制造技術將能使得VO2器件的應用范圍得到進一步擴展。

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         VO2被譽為是未來電子業的革命性材料,它的一個關鍵特性就是它在室溫下是絕緣體,但在溫度高于68攝氏度后其原子結構會從室溫晶體結構轉變為金屬結構(導體)。這種被稱為金屬-絕緣體轉變(MIT的獨特特性,使得它成為取代硅材料用于新一代低功耗電子設備的理想選擇。目前,VO2材料的光電器件應用主要以薄膜狀態為主,已被成功地應用于電致變色器件、光學開關、微電池、節能涂層和智能窗以及微測輻射熱裝置等多種領域。

    生長襯底種類

    通常情況下,VO2薄膜會在氧化物襯底上制備,因為結晶通常需要高溫氧氣處理,如氧化鋁(Al2O3)晶體和二氧化鈦(TiO2)等。但也有部分非氧化物材料可被用作VO2生長的襯底,例如硅(Si)、鍺和氮化鎵,同樣能呈現合理的MIT特性。原則上,在剛性襯底上的器件的制造是基于其他組件與VO2自上而下的集成。然而,如果可以在薄的可轉移襯底上制備VO2薄膜,預期器件應用的范圍將進一步擴展,例如柔性器件。因此近年來,隨著二維(2D)層狀材料的研究進展,層狀材料作為VO2薄膜生長的可轉移襯底引起了人們的興趣。

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    左:支撐襯底上的hBN薄片上生長VO2薄膜的示意圖。

    右:由于hBN與基板之間僅有弱范德華力,預期VO2和hBN的堆疊可從原始基板轉移到任何材料和幾何形狀的目標基板上。

          根據論文,日本科學家是通過使用膠帶,將hBN薄片從塊狀單晶上機械剝離到285nm厚的二氧化硅層的Si襯底上——由于剝離的六方氮化硼薄片缺陷極少,因此具有原子級平坦的表面。接著科學家再用O2在500℃的環境壓力下對hBN薄片進行3.5小時處理來去除膠帶殘留物,最后通過脈沖激光沉積法使VO2薄膜生長到hBN上。

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        上圖是VO2薄膜生長之后,在SiO2/ Si的上hBN薄片的典型光學圖像,從SiO2上剝離的hBN薄片的橫向尺寸范圍可達數百微米長。

        由于BN的晶體特性,它與VO2僅通過弱范德華力連接在Si襯底上,用機械剝離方法即可克服,因此hBN/VO2可以從Si上轉移到任意VO2薄膜不能直接生長的基底上??茖W家們認為這次的成果將能為VO2薄膜在電子和光子學中的實際應用開辟新的可能性。





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