六方氮化硼可为二氧化钒在未来电子业中开辟新的可能性

      2月27日，日本科学家在NATURE上发表一篇题为”Growthof vanadium dioxide thin films on hexagonal boron nitride flakes astransferrablesubstrates”（二氧化钒薄膜在六方氮化硼薄片上生长可实现可转移衬底）的科研成果，证明六方氮化硼（hBN）作为VO2的基底供其生长时，可使二氧化钒（VO2）薄膜得以转移到金属或柔性聚合物等其他衬底上。预计这种制造技术将能使得VO2器件的应用范围得到进一步扩展。

      VO2薄膜

      VO2被誉为是未来电子业的革命性材料，它的一个关键特性就是它在室温下是绝缘体，但在温度高于68摄氏度后其原子结构会从室温晶体结构转变为金属结构（导体）。这种被称为金属-绝缘体转变（MIT）的独特特性，使得它成为取代硅材料用于新一代低功耗电子设备的理想选择。

      目前，VO2材料的光电器件应用主要以薄膜状态为主，已被成功地应用于电致变色器件、光学开关、微电池、节能涂层和智能窗以及微测辐射热装置等多种领域。

      生长衬底种类

      物材料可被用作VO2生长的衬底，例如硅(Si)、锗和氮化镓，同样能呈现合理的MIT特性。

      原则上，在刚性衬底上的器件的制造是基于其他组件与VO2自上而下的集成。然而，如果可以在薄的可转移衬底上制备VO2薄膜，预期器件应用的范围将进一步扩展，例如柔性器件。因此近年来，随着二维（2D）层状材料的研究进展，层状材料作为VO2薄膜生长的可转移衬底引起了人们的兴趣。

      hBN 衬底

      hBN是一种由蜂窝状晶格组成的层状材料，其中氮和硼原子排列在不等价的三角形位置，由于其宽带隙能量接近6eV，因此纳米厚度下也具有电绝缘性。另外，超薄HBN的杨氏模量及断裂强度，与金刚石相当，在500℃下也依旧对O2呈惰性，因此具有成为VO2生长衬底的潜力。

      右：由于hBN与基板之间仅有弱范德华力，预期VO2和hBN的堆叠可从原始基板转移到任何材料和几何形状的目标基板上。

 

      根据论文，日本科学家是通过使用胶带，将hBN薄片从块状单晶上机械剥离到285nm厚的二氧化硅层的Si衬底上——由于剥离的六方氮化硼薄片缺陷极少，因此具有原子级平坦的表面。接着科学家再用O2在500℃的环境压力下对hBN薄片进行3.5小时处理来去除胶带残留物，最后通过脉冲激光沉积法使VO2薄膜生长到hBN上。

      上图是VO2薄膜生长之后，在SiO2/ Si的上hBN薄片的典型光学图像，从SiO2上剥离的hBN薄片的横向尺寸范围可达数百微米长。

      由于BN的晶体特性，它与VO2仅通过弱范德华力连接在Si衬底上，用机械剥离方法即可克服，因此hBN/VO2可以从Si上转移到任意VO2薄膜不能直接生长的基底上。科学家们认为这次的成果将能为VO2薄膜在电子和光子学中的实际应用开辟新的可能性。