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作者及机构

本研究由Soon Siang Chng、Minmin Zhu（通讯作者）、Jing Wu、Xizu Wang、Zhi Kai Ng、Keke Zhang、Chongyang Liu、Maziar Shakerzadeh、Siuhon Tsang和Edwin Hang Tong Teo（通讯作者）合作完成。研究团队来自以下机构：
- 新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院（School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University）
- 新加坡淡马锡实验室（Temasek Laboratories）
- 新加坡科技研究局材料研究与工程研究所（Institute of Materials Research and Engineering, A*STAR）
论文发表于Royal Society of Chemistry旗下的期刊《Journal of Materials Chemistry C》（2019年卷）。

学术背景

本研究属于二维材料与半导体器件领域，聚焦于六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）的取向控制及其在电子器件中的应用。h-BN是一种宽带隙（~6 eV）材料，具有优异的机械强度、热稳定性和绝缘性能，但晶圆级垂直取向h-BN薄膜的合成仍是重大挑战。传统方法（如等离子体增强化学气相沉积，PECVD）存在沉积速率低、薄膜质量差等问题。

研究团队提出利用高功率脉冲磁控溅射（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HiPIMS）技术，通过调控氮气流量比，实现h-BN薄膜的垂直取向生长，并探索其热导率提升机制。此外，研究还验证了h-BN封装对硒化铟（InSe）晶体管性能的保护作用，旨在解决InSe在环境中易降解的问题。

研究流程与实验方法

1. h-BN薄膜的制备与表征

• HiPIMS沉积系统：使用纯硼靶（99.99%），在硅衬底上沉积h-BN薄膜。反应气体为氮气（N₂）和氩气（Ar），通过调节氮气流量比（5%~85%）控制薄膜取向。
  
• 关键参数：衬底温度800°C，脉冲功率峰值达500 W，脉冲时间30 µs，沉积时长180分钟。
  
• 表征技术：
  
  • 显微结构：扫描电子显微镜（SEM）显示薄膜域尺寸随氮气比例增加而减小；高分辨透射电镜（HRTEM）证实垂直取向h-BN的存在，界面处存在14 nm非晶氮化硼（a-BN）过渡层。
    
  • 成分分析：电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）验证sp²杂化的B-N键，峰位差恒定~207 eV。
    
  • 热导率测量：采用纳米热反射法（NanoTR），测得最高热导率为1.5 W·m⁻¹·K⁻¹（氮气流量比20%~40%区间）。
    

2. InSe晶体管的制备与性能测试

• InSe合成：微波辅助化学气相沉积法（MACVD）制备高质量β-InSe晶体，通过光刻和电子束沉积工艺制作晶体管。
  
• h-BN封装：将h-BN薄膜作为保护层覆盖InSe晶体管，测试其电学性能。
  
• 性能表征：
  
  • 稳定性测试：未封装的InSe晶体管在空气中迅速失效，而h-BN封装器件在2个月后仍保持半导体特性。
    
  • 高温性能：在200°C下，器件电子迁移率达71.0 cm²·V⁻¹·s⁻¹，优于MoTe₂（0.2~2 cm²·V⁻¹·s⁻¹）和PtSe₂（7 cm²·V⁻¹·s⁻¹）。
    

主要结果

1. 氮气流量比对h-BN取向的影响：

   • 氮气流量比20%~40%时，薄膜取向度（通过FTIR计算的R值）和热导率均达到峰值。HRTEM显示该区间内h-BN晶格（002）面垂直衬底排列。
     
   • 理论模型表明，高离子轰击产生的压应力（公式2）是取向生长的关键驱动力。
     

2. 热导率与取向的关联：

   • 垂直取向h-BN的热导率（1.5 W·m⁻¹·K⁻¹）比非晶薄膜（0.5 W·m⁻¹·K⁻¹）高300%，因声子散射减少。
     

3. InSe器件的环境稳定性：

   • h-BN封装有效隔绝水分和氧气，使InSe晶体管在高温和长期暴露下保持性能，迁移率随温度升高而增加（100°C时为11.3 cm²·V⁻¹·s⁻¹，200°C时达71.0 cm²·V⁻¹·s⁻¹）。
     

结论与价值

本研究通过HiPIMS技术实现了晶圆级垂直取向h-BN薄膜的可控制备，揭示了氮气流量比—压应力—热导率的调控机制，为二维材料的热管理应用提供了新思路。h-BN封装的InSe晶体管展现出高温稳定性和高迁移率，解决了敏感半导体材料的环境降解问题，在柔性电子、光电器件中具有重要应用潜力。

研究亮点

1. 方法创新：首次将HiPIMS技术用于h-BN的取向控制，结合脉冲高功率（500 W）和氮气比例调控，突破传统沉积技术的局限。
   
2. 跨学科价值：将材料生长（h-BN）与器件工程（InSe晶体管）结合，验证了二维材料封装的实际效能。
   
3. 工业兼容性：HiPIMS工艺可直接集成于半导体生产线，推动h-BN在热界面材料、功率器件中的规模化应用。
   

其他价值

• 研究提出的压应力模型（公式2）为其他层状材料的取向工程提供了理论参考。
  
• 补充数据（ESI）包含详细的沉积参数、XPS峰位差表和EDS谱图，增强了结果的可重复性。
  

（全文约2000字）