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二维材料（2DMs）与器件暴露在外界环境下会伴随老化、表面水氧吸附与污染等问题，使物理性能下降，因此如何对其进行封装保护成为了研究热点。h-BN作为被广泛采用的封装材料，一般是通过转移技术实现，而转移过程中带来的样品破损、化学污染、界面空腔等问题一直阻碍着其走向实际应用。因此，发展一种直接在2D材料或器件上CVD生长h-BN盖层的技术，具有共形生长的特点，可以获得洁净、接触紧密的封装界面，具有重要的实际应用意义。然而， 高质量h-BN的生长温度较高（~1000℃），作为盖层材料直接制备在其他2D材料（如MoS₂, WSe₂，生长温度约为800~900℃）表面会对已有的2D材料造成破坏。近期，无定形结构的BN（a-BN）由于优良的抗击穿性能和低介电特性受到了广泛关注。具有优异绝缘特性和高透光率的非晶BN，不仅具有低温生长的优势，其非晶结构还可以避免一些晶体的特征吸收对于所保护材料或器件在光学应用上的影响，因此可以完美替代h-BN作为2D材料及其器件的封装、保护层的。

近日，中国人民大学物理系陈珊珊教授课题组在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了题为”Low-Temperature Synthesis of Boron Nitride as a Large-Scale Passivation and Protection Layer for Two-Dimensional Materials and High-Performance Devices” 的论文。论文提出了一种直接在2D材料和器件表面选择性直接生长a-BN的新技术，可以实现对2D材料与器件的大面积封装保护。该生长技术采用500℃的较低生长温度，对绝大多数2D材料和衬底具有普适性，生长过程中不会对原有2D材料造成破坏。另外，获得的a-BN盖层能够帮助2D材料提升氧等离子体和激光辐射抗性，保护其免受外界环境中水、氧侵蚀和质量退化。对2D材料器件来说，a-BN盖层能够隔绝外界环境的影响，避免表面杂质吸附带来的载流子散射中心和电荷陷阱，大幅度提高载流子迁移率，提升器件的性能。此外，直接CVD生长盖层能够获得洁净而紧密的共形接触界面，不存在转移过程出现的界面空腔和污染物残留，防止器件老化，提升器件的长期稳定性。

论文的主要创新点：

I 面内与垂直异质结构的选择性生长

研究发现，a-BN在不同界面（SiO₂和MoS₂表面）生长速率不同，这是由于不同界面化学环境带来了势垒差异。实验中SiO₂表面的生长速率要大于MoS₂，体现为SiO₂表面的厚度要大于MoS₂。据阿伦尼乌斯方程，MoS₂表面的生长速率慢，说明其化学势垒高，生长更为困难。实验中，通过降低前驱物氨硼烷的供给量到一定区间，就会出现MoS₂表面无法形成临界核，而SiO₂表面还能继续生长a-BN的情况，从而实现选择性生长面内或垂直异质结构。

图1. 选择性生长a-BN与2D材料面内或垂直异质结构示意图。

II 不同衬底或2D材料表面实现可控制备。

图2.在多种衬底和2D材料表面实现a-BN盖层的生长证明了该技术的普适性。

III 实现了大面积非晶BN作为2D材料盖层的首次应用。

图3. a-BN盖层在抗老化、抗氧等离子和激光辐射保护作用。

论文第一作者为中国人民大学物理系博士生卢占杰，论文通讯作者为中国人民大学物理系陈珊珊教授、程志海教授和中科院化学所董际臣研究员。相关工作得到了中国人民大学人才培育类基金、国家自然科学基金、和北京市自然科学基金的资助。

原文链接

Lu, Z.; Zhu, M.; Liu, Y.; Zhang, G.; Tan, Z.; Li, X.; Xu, S.; Wang, L.; Dou, R.; Wang, B.; et al. Low-Temperature Synthesis of Boron Nitride as a Large-Scale Passivation and Protection Layer for Two-Dimensional Materials and High-Performance Devices. ACS Applied Materials & Interfaces 2022

//doi.org/10.1021/acsami.2c02803