类型a：这篇文档报告了一项原创研究。

主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括陈然生（Ransheng Chen）、李强（Qiang Li）、张启帆（Qifan Zhang）等，他们分别隶属于西安交通大学电子科学与工程学院、英国谢菲尔德大学电子电气工程系以及西安电子科技大学微电子学院。该研究于2023年10月30日发表在《Crystal Growth & Design》期刊上。

学术背景
本研究属于材料科学领域，特别是二维材料的生长与应用方向。六方氮化硼（hexagonal boron nitride, hBN）因其超宽带隙（5.9 eV）和类石墨烯的六边形结构，在深紫外（DUV）光电器件中具有巨大潜力。然而，hBN薄膜在金属基底上的结晶质量通常较低，且高温稳定性较差，这限制了其作为功能衬底的应用。此外，现有技术在蓝宝石（sapphire）基底上生长高质量hBN薄膜的研究较少，尤其是在高结晶度、大面积均匀性和高温稳定性方面仍存在挑战。因此，本研究旨在通过低压化学气相沉积（LPCVD）技术在蓝宝石基底上直接生长高结晶度、高稳定性的hBN薄膜，并探索其生长机制和表面形貌演变规律。

详细研究流程
本研究主要包括以下几个步骤：
1. 样品制备：
- 使用LPCVD系统（GSL-1600 × 220 V φ60 mm）在C面蓝宝石基底（厚度430 μm）上生长hBN薄膜。
- 在氮气/氩气（N2/Ar）气氛下进行30分钟的基底退火处理以去除氧化物并进行表面氮化处理。
- 将硼嗪（BH3−NH3）加热至115°C作为B/N源，在不同生长压力（500 mTorr至5 Torr）下进行hBN外延生长。
- 样品分为三组：Sample-I（仅使用氩气氛围）、Sample-II（在基底加热和退火过程中引入氮气）、Sample-III（全程使用氮气作为载气）。

1. 表征方法：

   • 使用X射线光电子能谱（XPS）分析样品的化学成分和键合状态。
     
   • 采用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）测量光学带隙。
     
   • 使用拉曼光谱（Raman Spectroscopy）和X射线衍射（XRD）评估晶体质量。
     
   • 通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察表面形貌。
     

2. 高温稳定性测试：

   • 将样品在空气中储存6个月后进行高温退火处理（700°C至1200°C），以研究其长期稳定性和分解机制。
     

3. 数据分析：

   • 对XPS数据进行Voigt函数拟合，并以C 1s峰（284.8 eV）校准。
     
   • 使用Tauc图外推法确定光学带隙。
     
   • 分析SEM图像中的形貌演变规律，并结合实验条件解释其成因。
     

主要结果
1. 化学成分与键合状态：
- XPS结果显示，Sample-I中存在B−N（190.6 eV）、O−B−N（191.5 eV）和O−B（192.0 eV）键，表明hBN成功合成。
- Sample-II和Sample-III中N−Al键的出现表明表面氮化处理显著降低了N空位缺陷。
- B/N原子比从Sample-I的1.12:1降低到Sample-III的1.02:1，说明氮化处理和氮补充有效改善了化学计量比。

1. 光学性质：

   • UV-Vis吸收光谱显示，Sample-I在250 nm处有红移吸收峰，归因于N空位缺陷；而Sample-II和Sample-III中该峰消失，表明缺陷减少。
     
   • 光学带隙分别为5.904 eV（Sample-I）、6.020 eV（Sample-II）和6.048 eV（Sample-III），进一步证明氮化处理提高了薄膜质量。
     

2. 晶体质量与表面形貌：

   • 拉曼光谱显示，Sample-III的E2g模式峰宽（FWHM）为37.06 cm−1，表明其晶体质量最佳。
     
   • SEM和AFM图像揭示了随生长压力增加的形貌演变：从平坦表面（500 mTorr）到蜂窝状褶皱（1 Torr），再到纳米晶态表面（2 Torr及以上）。
     
   • 这种形貌变化归因于台阶流生长模型、局部应力生成以及B/N前驱体反应现象。
     

3. 高温稳定性：

   • 高温退火实验表明，蓝宝石基底上的hBN薄膜在1200°C下仍保持完整，而铜箔上的hBN薄膜在700°C时完全分解。
     
   • XRD和拉曼光谱证实，1100°C退火后的hBN薄膜仍具有高结晶度。
     
   • 1200°C退火导致表面蒸发，但底部薄膜因B−O键的存在而未分解，表明蓝宝石界面形成了稳定的B−O键。
     

结论与意义
本研究成功在蓝宝石基底上生长出高结晶度、高稳定性的hBN薄膜，并揭示了其生长机制和形貌演变规律。研究发现，表面氮化处理和氮补充是减少N空位和B间隙缺陷的关键；B−O键在蓝宝石界面上形成，有效阻止了氧插层现象，从而提高了高温稳定性。这些成果为开发高质量hBN薄膜提供了新方法，并为其在深紫外光电器件中的应用奠定了基础。

研究亮点
1. 重要发现：
- 揭示了蓝宝石基底上hBN薄膜的形貌演变规律及其成因。
- 发现B−O键在提高hBN高温稳定性中的关键作用。

1. 方法创新：

   • 提出了基于LPCVD的无催化剂生长方法，避免了碳掺杂和寄生反应。
     
   • 通过调控生长压力实现了对hBN形貌的精确控制。
     

2. 特殊性：

   • 蓝宝石基底上的hBN薄膜表现出优异的高温稳定性，适用于超过1200°C的外延生长。
     

其他有价值内容
本研究还探讨了不同表面形貌对后续外延材料生长的指导作用，为未来研究提供了新方向。