Морфология магнетронных нанопленок из h-BN

Цель – характеризация нанопленок BN из мишени h-BN, формируемых методом реактивного высокочастотного магнетронного распыления в смеси Ar + N2 на различных подложках.

Методы. Реактивное высокочастотное магнетронное распыление нитрида бора на подложки из плавленного кварца, кремния, сапфира, ситалла, поликора и полиамидных тканей осуществлялось в зависимости от изменений управляющих параметров распыления (мощность 50 – 80 Вт и время 1800 – 2700 с, температура твердотельных подложек ~ 430 К). Магнетронные нанопленки изучены методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей и просвечивающей (включая режим высокого разрешения) электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа, рентгенофазового анализа, комбинационного (рамановского) рассеяния света, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектрофотометрии оптического поглощения. Выполнено моделирование оптических характеристик в рамках теории функционала плотности в приближении рандомизированных фаз.

Результаты. Прецизионно изучены особенности наноструктурирования и измерены характерные размеры наноструктур в формируемых МНП из нитрида бора, по данным ЭДА подтверждена стехиометричность элементного состава МНП на всех подложках, по цветности отраженного света установлена линейность роста толщины в зависимости от мощности и времени магнетронного распыления. По данным КРС и РФА установлено, что в процессе РВЧ МР BN формируются поликристаллические МНП, с включениями гексагонального h-BN и кубического c-BN и свободного бора, кристалличность h-BN, в МНП возрастает с ростом температуры подложки начиная с Tп ~ 600 К. Проведенные модельные расчеты оптических характеристик согласуются с спектрофотометрическими измерениями коэффициента поглощения и подтверждают полиморфизм МНП.

Заключение. Комплексная характеризация магнетронных нанопленок из мишени h-BN на подложках из кремния, сапфира, ситала, поликора и полиамидных тканей, формируемых методом РВЧ МР, показала, что на процессы их наноструктурирования и фазовый состав наиболее существенно влияет Tп.

1. Sami M. Ibn Shamsah. Thermoelectric materials: a scientometric analysis of recent advancements and future research directions // Energies. 2024. Vol. 17, no. 19. P. 5002. https://doi.org/10.3390/en17195002.

2. Emerging applications of elemental 2D materials / N.R. Glavin, R. Rao, V. Varshney, E. Bianco, A. Apte, A. Roy [et al.] // Advanced materials. 2019. Vol. 32, no. 7. P. 1904302. https://doi.org/10.1002/adma.201904302.

3. Shams S., Bindhu B. Recent advancements in hybrid two dimensional materials for energy applications // ES energy and environment. 2024. Vol. 24. P. 1160. https://doi.org/10.30919/esee1160.

4. Boron nitride memristors: from mechanism and device optimization to integrated applications / X. Chen, T.-T. Guo, X. Chen, H.-W. Tao, S.-H. Niu, X.-F. Song [et al.] // Nanoscale. 2025. Vol. 17. P. 24830-24859. https://doi.org/10.1039/D5NR03494A.

5. Laturia A., Van de Put M.L., Vandenberghe W.G. Dielectric properties of hexagonal boron nitride and transition metal dichalcogenides: from monolayer to bulk // npj 2D Materials and Applications. 2018. Vol. 2, no. 1. P. 6. https://doi.org/10.1038/s41699-018-0050-x.

6. Ultralow-dielectric-constant amorphous Boron nitride / S. Hong, C.-S. Lee, M.-H. Lee, Y. Lee, K.Y. Ma, G. Kim [et al.] // Nature. 2020. Vol. 582. P. 511-514. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2375-9.

7. Hexagonal Boron nitride for next-generation photonics and electronics / S. Moon, J. Kim, J. Park, S. Im, J. Kim, I. Hwang [et al.] // Advanced Materials. 2023. Vol. 35, no. 4. P. 2204161. https://doi.org/10.1002/adma.202204161.

8. Naclerio A.E., Kidambi P.R. A review of scalable hexagonal Boron nitride (h-BN) synthesis for present and future applications // Advanced Materials. 2023. Vol. 35, no. 6. P. 2207374. https://doi.org/10.1002/adma.202207374.

9. Outstanding thermal conductivity of single atomic layer isotope-modified Boron nitride / Q. Cai, D. Scullion, W. Gan, A. Falin, P. Cizek, S. Liu [et al.] // Physical Review Letters. 2020. Vol. 125. P. 085902. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.085902.

10. Thermal transport properties of Boron nitride based materials: a review / V. Sharma, H.L. Kagdada, Pr. K. Jha, P. Śpiewak, K.J. Kurzydłowski // Renewable and sustainable energy reviews. 2020. Vol. 120. P. 109622. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109622.

11. Давыдов С.Ю., Посредник О.В. Особенности фактора термоэлектрической мощности капсулированных структур, образованных двумерными слоями // Физика твердого тела. 2023. Т. 65, № 4. С. 652-655. https://doi.org/10.21883/FTT.2023.04.55305.15.

12. Tuning thermoelectric properties of graphene/boron nitride heterostructures / L.A. Algharagholy, Q. Al-Galiby, H.A. Marhoon, H. Sadeghi, H.M. Abduljalil, C.J. Lambert // Nanotechnology. 2015. Vol. 26. P. 475401. https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/47/475401.

13. Enhanced thermoelectric properties of Bi2Te2.7Se0.3/hexagonal BN composites and optimized modules for power generation / J. Guo, Q. Ma, K. Luo, W. Qiu, H. Chen, P. Qian [et al.] // Ceramics international. 2024. Vol. 50, no. 9. P. 15209-15217. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.440.

14. Tran V.-T., Saint-Martin J., Dollfus P. High thermoelectric performance in graphene nanoribbons by graphene/BN interface engineering // Nanotechnology. 2015. Vol. 26, no. 49. P. 495202. https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/49/495202.

15. Impact of Boron nitride on the thermoelectric properties and service stability of Cu2-xSe / Z. Lin, Y. Guo, J. Bai, A. Hong, C. Li, Y. Wu [et al.] // ACS Applied materials & interfaces. 2024. Vol. 17, no. 1. P. 1922-1930. https://doi.org/10.1021/acsami.4c16857.

16. Synthesis and characterization of Boron carbon nitride films by radio frequency magnetron sputtering / Z.F. Zhou, I. Bello, M.K. Lei, K.Y. Li, C.S. Lee, S.T. Lee // Surface and coatings technology. 2000. Vol. 128-129, no. 1. P. 334-340. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00600-9.

17. Growth mechanisms of hBN crystalline nanostructures with rf sputtering deposition: challenges, opportunities, and future perspectives / D.-Q. Hoang, N.-H. Vu, T.-Q. Nguyen, T.-D. Hoang [et al.] // Physica scripta. 2023. Vol. 98, no. 4. P.042001. https://doi.org/10.1088/1402-4896/acbe7b.

18. Размерные особенности и механизмы роста магнетронных наноплёнок нитрида тантала при высокочастотном реактивном формировании / А.П. Кузьменко, И.С. Кашкин, А.И. Колпаков, И.С. Сапрыкин // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2025. Т. 15, № 4. С. 65-81. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-4-65-81.

19. Perottoni C.A., Zorzi J.E. Thermal expansion of hexagonal Boron nitride / // Physica status solidi (b). 2024. Vol. 262, no. 2. P. 2400409. https://doi.org/10.1002/pssb.202400409.

20. Unidirectional domain growth of hexagonal Boron nitride thin films / A. Biswas, Q. Ruan, F. Lee, C. Li, S.A. Iyengar, A.B. Puthirath [et al.] // Applied materials today. 2023. Vol. 30. P. 101734. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101734.

21. Oriented lateral growth of two-dimensional materials on c-plane sapphire / J.-H. Fu, J. Min, C.-K. Chang, C.-C. Tseng, Q. Wang, H. Sugisaki [et al.] // Nature nanotechnology. 2023. Vol. 18. P. 1289-1294. https://doi.org/10.1038/s41565-023-01445-9.

22. Haque A., Narayan J. Conversion of h-BN into c-BN for tuning optoelectronic properties // Materials Advances. 2020. Vol. 1. P. 830-836. https://doi.org/10.1039/D0MA00008F.

23. Strain induced bandgap engineering in wafer-scale hexagonal Boron nitride thick epitaxial films for broadband solar-blind ultraviolet detection / R. An, X. Fang, W. Yao, D. Zhao, Zhongyuan Han, Z. Long [et al.] // Advanced Optical Material. 2026. Vol. 14, is. 25. P. e71362. https://doi.org/10.1002/adom.71362.

24. Amorphous Boron nitride: synthesis, properties and device application / S.M. Sattari-Esfahlan, M. Saeed, J.J. Mukkath, M. Ji-Yun, H. Sang-Hwa, J. Houk [et al.] // Nano convergence. 2025. Vol. 12. P. 22. https://doi.org/10.1186/s40580-025-00486-1.

25. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni [et al.] // Journal of physics: condensed matter. 2009. Vol. 21, no. 39. P. 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.