这篇文档属于类型a，是一篇关于同位素富集六方氮化硼（h-BN）薄膜的原创性研究论文。以下为详细的学术报告：
作者及机构
本研究由Soon Siang Chng（南洋理工大学电气与电子工程学院）、Minmin Zhu（淡马锡实验室）、Zehui Du（淡马锡实验室）、Xizu Wang（新加坡科技研究局材料研究与工程研究所）等共同完成，通讯作者为Minmin Zhu和Edwin Hang Tong Teo。论文发表于Journal of Materials Chemistry C，2020年。
学术背景
研究领域：本研究属于宽禁带半导体材料与热管理领域，聚焦于六方氮化硼（h-BN）薄膜的同位素工程及其在电子器件中的应用。
研究动机：
h-BN因其高导热性、宽带隙（~6 eV）和低介电损耗，被视为下一代高功率电子器件（如GaN晶体管）的理想介电材料。然而，传统h-BN的合成受限于薄膜尺寸、介电可靠性及热导率不足。同位素富集（如硼-10和硼-11）被证明可显著提升材料热导率（如石墨烯提升58%），但此前缺乏对h-BN同位素薄膜的系统研究，尤其是其介电性能与热特性的关联性。
研究目标：
1. 通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术制备同位素富集的h-BN薄膜（B10N和B11N）；
2. 揭示同位素组成对薄膜热导率、介电性能及光学带隙的影响；
3. 验证h-BN作为GaN晶体管自散热介电层的可行性。
研究流程
1. 薄膜制备
- 方法：采用HiPIMS技术，在硅（Si）和氮化镓（GaN）衬底上直接沉积h-BN薄膜。
- 同位素控制：使用纯硼同位素靶材（B10和B11），制备不同同位素比例的薄膜（100% B10、80% B10、60% B10、50% B10、100% B11）。
- 工艺参数：衬底温度800°C，Ar/N2混合气体，脉冲频率8000 Hz，脉冲宽度10 μs。
2. 材料表征
结构分析：
- 拉曼光谱（Raman）：确认E2g声子模频率与同位素质量（μ）的依赖关系（ω ∝ μ−1/2），B10N的E2g峰（1399.1 cm−1）高于B11N（1362.5 cm−1）。
- 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：检测红外活性声子模（E1u和A2u），验证同位素效应。
- 高分辨透射电镜（HRTEM）：显示薄膜为纳米晶结构（晶粒尺寸14.8–23.8 nm），层间距0.366 nm，符合h-BN的(002)晶面特征。
成分分析：
- X射线光电子能谱（XPS）：证实B-N键的sp2杂化特性，B/N化学计量比为1.04:1。
- 电子能量损失谱（EELS）：显示π*和σ*吸收边，进一步验证h-BN的六方结构。
3. 性能测试
- 热导率：
- 纳米热反射技术（NanoTR）：纯B10N薄膜的热导率达3.901 W m−1 K−1，比混合同位素样品高231%。
- 温度依赖性：在300°C下，热导率仍保持稳定（提升8.5%）。
- 介电性能：
- 阻抗分析：介电常数（εr）为5–7，介电损耗低于1.3%，且在MHz频率范围内稳定。
- 光学带隙：
- 紫外-可见光谱（UV-Vis）：通过Tauc图计算带隙（5.54–5.79 eV），B10N与B11N的带隙差异仅0.18%。
4. 器件验证
- GaN/H-BN异质结：
- 霍尔效应测试：h-B10N封装后，GaN的霍尔迁移率提升，薄层电阻降低。
- 高电子迁移率晶体管（HEMT）：h-B10N作为栅极介电层，最大跨导（gm max）达33.82 mS mm−1，自热效应仅导致电流密度下降5.3%（优于金刚石封装的10%）。
主要结果
同位素效应：
- 纯B10N和B11N的热导率分别比混合样品高231%和210%，归因于声子散射减少（公式：𝜏𝑝ℎ−1 ∝ 𝑔2𝑉𝜔4）。
- 介电常数和光学带隙与同位素组成强相关，但介电损耗极低（<1.3%）。
器件性能：
- h-BN薄膜兼具高热导率和低介电损耗，解决了GaN晶体管的散热问题。
- HEMT器件在20 V工作电压下，电流密度达150.2 mA mm−1，性能衰减显著低于传统材料。
结论与价值
科学价值：
- 首次通过HiPIMS技术实现晶圆级同位素h-BN薄膜的可控制备，揭示了同位素工程对热、电、光性能的调控机制。
- 提出“热自耗散介电层”概念，为高功率电子器件的热管理提供新思路。
应用价值：
- h-BN薄膜可集成于5G通信、人工智能芯片等高频高功率器件，提升可靠性和寿命。
- 同位素工程策略可扩展至其他二维材料（如MoS2、石墨烯）。
研究亮点
- 方法创新：HiPIMS技术实现h-BN薄膜的高效沉积，兼容半导体工业流程。
- 发现创新：纯B10N的热导率提升231%，为迄今报道的最高值之一。
- 应用创新：首次验证h-BN在GaN HEMT中的热-电协同优化效果。
其他价值
- 论文补充数据（ESI）包括薄膜沉积参数、拉曼/FTIR光谱、电子性能变化百分比，为后续研究提供完整参考。
- 研究获新加坡国家研究基金会（NRF-ANR计划）资助，凸显其国家战略意义。
（报告总字数：约1500字）