Large-Area, Transfer-Free, Oxide-Assisted Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films and Their Heterostructures with MoS2 and WS2

异质结 化学 剥脱关节 纳米技术 光电子学 氧化物 成核 纳米电子学 带隙 石墨烯 接受者 材料科学 凝聚态物理 物理 有机化学
作者
Sanjay K. Behura,Phong Nguyen,Songwei Che,Rousan Debbarma,Vikas Berry
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (40): 13060-13065 被引量:107
标识
DOI:10.1021/jacs.5b07739
摘要

Ultrasmooth hexagonal boron nitride (h-BN) can dramatically enhance the carrier/phonon transport in interfaced transition metal dichalcogenides (TMDs), and amplify the effect of quantum capacitance in field-effect gating. All of the current processes to realize h-BN-based heterostructures involve transfer or exfoliation. Rational chemistries and process techniques are still required to produce large-area, transfer-free, directly grown TMDs/BN heterostructures. Here, we demonstrate a novel boron-oxygen chemistry route for oxide-assisted nucleation and growth of large-area, uniform, and ultrathin h-BN directly on oxidized substrates (B/N atomic ratio = 1:1.16 ± 0.03 and optical band gap = 5.51 eV). These intimately interfaced, van der Waals heterostructures of MoS2/h-BN and WS2/h-BN benefit from 6.27-fold reduced roughness of h-BN in comparison to SiO2. This leads to reduction in scattering from roughness and charged impurities, and enhanced carrier mobility verified by an increase in electrical conductivity (5 times for MoS2/h-BN and 2 times for WS2/h-BN). Further, the heterostructures are devoid of wrinkles and adsorbates, which is critical for 2D nanoelectronics. The versatile process can potentially be extrapolated to realize a variety of heterostructures with complex sandwiched 2D electronic circuitry.
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