Development of direct synthesis of h-BN and highly monochromatic electron emission devices using stacking structure of atomic layered materials

利用原子层状材料的堆叠结构直接合成h-BN和高度单色电子发射器件的开发

基本信息

批准号：
21H01401
负责人：
村上勝久
金额：
$ 11.56万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度も昨年度に引き続き絶縁体および半導体基板上へのh-BN直接成膜技術の開発とGraphene/h-BN積層構造の平面型電子放出デバイスの試作を行った。h-BN直接成膜技術に関しては、誘導結合型プラズマCVDにおけるh-BN結晶性の各種パラメーター（ガス種、ガス流量、合成温度、プラズマ出力、圧力）に対する依存性を調査した。その結果、窒素流量と水素流量がh-BNの成長膜厚と結晶性に大きな影響を与えることが分かり、最適な成膜条件を見出した。これにより、触媒銅箔上に成膜した多層h-BNと同等の光学バンドギャップとラマン分光スペクトルを示すh-BNの、石英基板やSi基板への500度以下の低温での直接成膜を実現し、この成果をACS Omegaで発表した。多層h-BNの更なる高結晶化に向けて、サファイア基板上にエピタキシャル成膜したNi上への多層h-BN成膜を検討した。その結果、エピタキシャル成膜したNi(111)面上に高結晶な多層h-BNの成膜に成功した。平面型電子放出デバイスの開発に関しては、最適化したh-BN成膜条件を用いてGraphene/h-BN/Si積層構造の電子放出デバイスを試作し、1.3A/cm^2の大電流密度での電子放出に成功した。これは昨年度試作したデバイスの放出電流密度の約433倍の放出電流密度であり、Si基板上への直接成膜h-BNの結晶性改善の効果であると考えられる。また、Ni(111)面上に成膜した高結晶多層h-BNを絶縁層に用いた平面型電子放出デバイスを試作し電子放出に成功した。

继去年之后，今年我们开发了在绝缘体和半导体基板上直接形成h-BN薄膜的技术，并原型制作了具有石墨烯/h-BN堆叠结构的平面电子发射器件。关于h-BN直接沉积技术，我们研究了电感耦合等离子体CVD中h-BN结晶度对各种参数（气体种类、气体流速、合成温度、等离子体功率和压力）的依赖性。结果发现氮气流量和氢气流量对h-BN的生长厚度和结晶度有很大影响，并找到了最佳成膜条件。这使得在500度以下的低温下直接在石英或Si基底上沉积h-BN成为可能，其光学带隙和拉曼光谱与沉积在催化铜箔上的多层h-BN相当。在 ACS Omega 上发表。为了进一步提高多层h-BN的结晶度，我们研究了在蓝宝石衬底上外延沉积的Ni上多层h-BN的形成。结果，我们成功地在外延形成的Ni(111)表面上形成了高度结晶的多层h-BN薄膜。在平面电子发射器件的开发方面，我们利用优化的h-BN成膜条件，原型制作了石墨烯/h-BN/Si堆叠结构的电子发射器件，并实现了1.3A/cm^2的高电流密度。成功发射电子。这大约是去年试制的器件的发射电流密度的433倍，并且被认为是提高直接沉积在Si基板上的h-BN的结晶度的效果。我们还利用沉积在 Ni(111) 表面上的高结晶多层 h-BN 薄膜作为绝缘层，制作了原型平面电子发射器件，并成功发射电子。