Nucleation and growth mechanisms of sputtered hexagonal boron nitride nanowalls

Abstract

Hexagonaal boornitride (hBN) dunne films werden afgezet op Si(100) substraten door een zelfgebouwd ongebalanceerd radiofrequentie (RF) sputtersysteem met behulp van een Ar (51%)/N2(44%)/H2(5%) gasmengsel. De impact van verschillende doel-tot-substraatafstanden (d, 3 cm ≤ d ≤ 6 cm), substraattemperaturen (Tsb, 78 ○C ≤ Tsb ≤ 500 ○C) en substraatkantelhoeken (α, = 0○ or 90○ ) werd onderzocht. De fysische eigenschappen van de hBN-films werden onderzocht met röntgendiffractie, raster- /transmissie-elektronenmicroscopie, Raman en Fourier transform infraroodspectroscopietechnieken. De experimentele resultaten toonden aan dat etsen, door middel van waterstof, voornamelijk een invloed heeft op de films afgezet op d = 3 cm and Tsb > 250 ○C, terwijl het effect verwaarloosbaar is voor de films afgezet op d = 6 cm. Bovendien tonen de resultaten ook aan dat waterstof niet alleen een functie heeft tijdens synthese van de hBN nanomuurstructuren, maar ook dienst doet als etsmiddel om materiaal te verwijderen tijdens de depositie, d.w.z. wandtakken, zijwanden, tussenruimten/holtes tussen aangrenzende muurtjes. De hoeveelheid defecten in de afgezette films werd ook geïdentificeerd door de hoeveelheid waterstof in de vorm van H–N-bindingen. Daarenboven zijn de hBN-nanomuren verticaal gericht op hun substraatoppervlak, onafhankelijk van het kantelen van het substraat. Dit houdt in dat de groei in de beginfase bepaald wordt door chemische processen en niet door fysische processen. De waarnemingen laten zien dat de hBN-kristalliniteit aangepast kan worden door variaties van Tsb, d, α en/of filmdikte. Verder wordt het bewijs van waterstofabsorptie/desorptie gegeven gebaseerd op resultaten van relatieve metingen van verschillende infraroodsignaturen (E1/A2) en Raman (E2g) modi van het hBN optische fonon, en N–H vibratiemodus. Daarnaast werd het groeigedrag van hBN nanomuurfilms, afgezet op d = 3 cm op verschillende substraatmaterialen, d.w.z. Si(100), Si3N4 (amorf), Cr/Au (polykristallijne katalysatormetalen) en CVD-diamant (waterstof-getermineerd oppervlak), onderzocht met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). De verkregen resultaten tonen aan dat de hBN-kristalliniteit in hoge mate wordt verbeterd wanneer een hBN dunne film wordt afgezet op een diamantsubstraat. In het bijzonder hebben we aangetoond dat waterstof een onmisbare component is om hBN-nanomuren te vormen, en een sleutelrol speelt bij de directe nucleatie van hBN-nanomuurtjes op de facetten van nanokristallijne diamantkorrels (NCD), wanneer geïoniseerde B- en N-atomen op het NCD-substraat aankomen. De diamantfilms werden geproduceerd door middel van een door microgolf plasma-versterkte chemische dampafzetting (MW PE CVD) techniek. Na groei van de NCDfilm werd vervolgens de hBN-film erop afgezet. Structurele eigenschappen van de NCD/hBN-grenslaag werden onderzocht met een hoge resolutie S/TEM. Een verbetering van de hBN-kristalliniteit op het NCD/hBNgrensvlak werd vastgesteld in vergelijking met de situatie waarbij hBN werd afgezet op andere substraten. Deze verbetering wordt hoofdzakelijk toegeschreven aan de met waterstof getermineerde facetten van het diamantoppervlak. Hierdoor worden hBN-nanomuren direct gegroeid op NCDfacetten met minder amorf/turbostratisch BN (a/t BN) op het grensvlak. Deze waarneming toont aan dat onze NCD/hBN heterostructuur een veelbelovende kandidaat is voor toekomstige industriële toepassingen, d.w.z. koude veldemissie, waterzuivering, enz., waarbij de negatieve elektron affiniteit van een waterstof-getermineerd oppervlak een cruciale rol speelt. Bovendien werd een poging ondernomen om een hBN dunne film af te zetten op een Cr(10 nm)/Au(100 nm) bufferlaag bij Tsb = 450 ○C. Ook hier werd een verbetering van de hBN kristalliniteit op het grensvlak tussen Au en hBN waargenomen. Het mogelijke katalytische gedrag van de Au-laag bij Tsb = 450 ○C is een belangrijke factor die de condensatieprocessen ondersteunt, die mogelijks sneller kunnen optreden op het grensvlak van beide lagen. De resultaten van dit proefschrift geven een beter begrip van het depositieproces van hBN-films met behulp van de ongebalanceerde RF-sputtertechniek. Bovendien zijn de resultaten van goed gedefinieerde hBN-nanomuurtjes en poreuze BN-nanolagen nuttig voor fundamentele en toegepaste studies van hBN-nanomuurtjes. Uiteindelijk wordt op basis van de gegeven resultaten een vooruitblik gegeven in het laatste hoofdstuk van het proefschrift.