Abstract
In similarity to graphene, two-dimensional (2D) hexagonal boron nitride (hBN) has some remarkable properties, such as mechanical robustness and high thermal conductivity. In addition, hBN has superb chemical stability and it is electrically insulating. 2D hBN has been considered a promising material for many applications in electronics, including 2D hBN based substrates, gate dielectrics for graphene transistors and interconnects, and electronic packaging insulators. This paper reviews the synthesis, transfer and fabrication of 2D hBN films, hBN based composites and hBN-based van der Waals heterostructures. In particular, this review focuses on applications in manufacturing electronic devices where the insulating and thermal properties of hBN can potentially be exploited. 2D hBN and related composite systems are emerging as new and industrially important materials, which could address many challenges in future complex electronics devices and systems.
Similar content being viewed by others
References
A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
K. S. Novoselov, V. I. Fal’ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K. Kim, Nature 490, 192 (2012).
A. A. Balandin, Nat. Mater. 10, 569 (2011).
M. Osada and T. Sasaki, Adv. Mater. 24, 210 (2012).
M. Xu, T. Liang, M. Shi, and H. Chen, Chem. Rev. 113, 3766 (2013).
C. R. Dean, A. F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K. L. Shepard, and J. Hone, Nature Nanotech. 5, 722 (2010).
Y. Chen, J. Zou, S. J. Campbell, and G. L. Caer, Appl. Phys. Lett. 84, 2430 (2004).
D. Golberg, P. M. F. J. Costa, O. Lourie, M. Mitome, X. Bai, K. Kurashima, C. Zhi, C. Tang, and Y. Bando, Nano Lett. 7, 2146 (2007).
C. W. Chang, D. Okawa, A. Majumdar, and A. Zettl, Science 314, 1121 (2006).
D. Golberg, Y. Bando, Y. Huang, T. Terao, M. Mitome, C. Tang, and C. Zhi, ACS Nano. 4, 2979 (2010).
Y. Wang, Z. Shi, and J. Yin, J. Mater. Chem. 21, 11371 (2011).
D. Pacilé, J. C. Meyer, Ç. Ö. Girit, and A. Zettl, Appl. Phys. Lett. 92, 133107 (2008).
J. N. Coleman, M. Lotya, A. O’Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, K. Young, A. Gaucher, S. De, R. J. Smith, I. V. Shvets, S. K. Arora, G. Stanton, H.-Y. Kim, K. Lee, G. T. Kim, G. S. Duesberg, T. Hallam, J. J. Boland, J. J. Wang, J. F. Donegan, J. C. Grunlan, G. Moriarty, A. Shmeliov, R. J. Nicholls, J. M. Perkins, E. M. Grieveson, K. Theuwissen, D. W. McComb, P. D. Nellist, and V. Nicolosi, Science 331, 568 (2011).
R. J. Smith, P. J. King, M. Lotya, C. Wirtz, U. Khan, S. De, A. O’Neill, G. S. Duesberg, J. C. Grunlan, G. Moriarty, J. Chen, J. Wang, A. I. Minett, V. Nicolosi, and J. N. Coleman, Adv. Mater. 23, 3944 (2011).
K.-G. Zhou, N.-N. Mao, and H.-X. Wang, Angew. Chem.-Int. Edit. 50, 10839 (2011).
J. H. Warner, M. H. Rümmeli, A. Bachmatiuk, and B. Büchner, ACS Nano. 4, 1299 (2010).
C. Zhi, Y. Bando, C. Tang, H. Kuwahara, and D. Golberg, Adv. Mater. 21, 2889 (2009).
S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X. Xu, J. S. Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. R. Kim, Y. I. Song, Y. J. Kim, K. S. Kim, B. Ozyilmaz, J. H. Ahn, B. H. Hong, and S. Iijima, Nature Nanotech. 5, 574 (2010).
T. Yamada, M. Ishihara, J. Kim, M. Hasegawa, and S. Iijima, Carbon 50, 2615 (2012).
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
L. H. Li, Y. Chen, G. Behan, H. Zhang, M. Petravicc, and A. M. Glushenkova, J. Mater. Chem. 21, 11862 (2011).
W. Q. Han, L. Wu, Y. Zhu, and T. T. Kenji, Appl. Phys. Lett. 93, 223103 (2008).
Y. Lin, T. V. Williams, T.-B. Xu, W. Cao, H. E. Elsayed-Ali, and J. W. Connell, J. Phys. Chem. C 115, 2679 (2011).
Y. Zhao, C. Hu, Y. Hu, H. Cheng, G. Shi, and L. Qu, Angew. Chem.-Int. Edit. 51, 11371 (2012).
Y. Lin, T. V. Williams, W Cao, H. E. Elsayed-Ali, and J. W. Connell, J. Phys. Chem. C 114, 17434 (2010).
G.-X. Ni, Y. Zheng, S. Bae, C. Y. Tan, O. Kahya, J. Wu, B. H. Hong, K. Yao, and B. Özyilmaz, ACS Nano. 6, 3935 (2012).
P. Sutter, J. Lahiri, P. Albrecht, and E. Sutter, ACS Nano. 5, 7303 (2011).
E. Cavar, R. Westerström, A. Mikkelsen, E. Lundgren, A. S. Vinogradov, M. L. Ng, A. B. Preobrajenski, A. A. Zakharov, and N. Mårtensson, Surf. Sci. 602, 1722 (2008).
K. K. Kim, A. Hsu, X. Jia, S. M. Kim, Y. Shi, M. Hofmann, D. Nezich, J. F. Rodriguez-Nieva, M. Dresselhaus, T. Palacios, and J. Kong, Nano Lett. 12, 161 (2012).
L. Song, L. Ci, H. Lu, P. B. Sorokin, C. Jin, J. Ni, A. G. Kvashnin, D. G. Kvashnin, J. Lou, B. I. Yakobson, and P. M. Ajayan, Nano Lett. 10, 3209 (2010).
F. Mueller and S. Grandthyll, Surf. Sci. 617, 207 (2013).
G. Kim, A.-R. Jang, H. Y. Jeong, Z. Lee, D. J. Kang, and H. S. Shin, Nano Lett. 13, 1834 (2013).
Y. Wen, X. Shang, J. Dong, K. Xu, J. He, and C. Jiang, Nanotechnology 26, 275601 (2015).
K. H. Lee, H. J. Shin, and J. Lee, Nano Lett. 12, 714 (2012).
A. Ismach, H. Chou, D. A. Ferrer, Y. Wu, S. McDonnell, H. C. Floresca, A. Covacevich, C. Pope, R. Piner, M. J. Kim, R. M. Wallace, L. Colombo, and R. S. Ruoff, ACS Nano. 6, 6378 (2012).
K. H. Lee, H. J. Shin, B. Kumar, H. S. Kim, J. Lee, R. Bhatia, S. H. Kim, I. Y. Lee, H. S. Lee, G. H. Kim, J. B. Yoo, J. Y. Choi, and S. W. Kim, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 11493 (2014).
R. Y. Tay, S. H. Tsang, M. Loeblein, W. L. Chow, G. C. Loh, J. W. Toh, S. L. Ang, and E. H. T. Teo, Appl. Phys. Lett. 106, 101901 (2015).
T. Kobayashi, M. Bando, N. Kimura, K. Shimizu, K. Kadono, N. Umezu, K. Miyahara, S. Hayazaki, S. Nagai, Y. Mizuguchi, Y. Murakami, and D. Hobara, Appl. Phys. Lett. 102, 023112 (2013).
I. Vlassiouk, S. Smirnov, I. Ivanov, P. F. Fulvio, S. Dai, H. Meyer, M. Chi, D. Hensley, P. Datskos, and N. V. Lavrik, Nanotechnology 22, 275716 (2011).
L. Liu, H. Zhou, R. Cheng, Y. Chen, Y.-C. Lin, Y. Qu, J. Bai, I. A. Ivanov, G. Liu, Y. Huang, and X. Duan, J. Mater. Chem. 22, 1498 (2012).
X. Li, C. W. Magnuson, A. Venugopal, R. M. Tromp, J. B. Hannon, E. M. Vogel, L. Colombo, and R. S. Ruoff, J. Am. Chem. Soc. 133, 2816 (2011).
X. Li, C. W. Magnuson, A. Venugopal, J. An, J. W. Suk, B. Han, M. Borysiak, W. Cai, A. Velamakanni, Y. Zhu, L. Fu, E. M. Vogel, E. Voelk, L. Colombo, and R. S. Ruoff, Nano Lett. 10, 4328 (2010).
I. Vlassiouk, M. Regmi, P. Fulvio, S. Dai, P. Datskos, G. Eres, and S. Smirnov, ACS Nano. 5, 6069 (2011).
Y. Shi, C. Hamsen, X. Jia, K. K. Kim, A. Reina, M. Hofmann, A. L. Hsu, K. Zhang, H. Li, Z.-Y. Juang, M. S. Dresselhaus, L.-J. Li, and J. Kong, Nano Lett. 10, 4134 (2010).
A. Nagashima, N. Tejima, Y. Gamou, T. Kawai, and C. Oshima, Surf. Sci. 357, 307 (1996).
M. Corso, W. Auwärter, M. Muntwiler, A. Tamai, T. Greber, and J. Osterwalder, Science 303, 217 (2004).
Y. Song, C. Zhang, B. Li, D. Jiang, G. Ding, H. Wang, and X. Xie, Appl. Surf. Sci. 313, 647 (2014).
F. Orlando, P. Lacovig, L. Omiciuolo, N. G. Apostol, R. Larciprete, A. Baraldi, and S. Lizzit, ACS Nano. 8, 12063 (2014).
M. S. Bresnehan, G. R. Bhimanapati, K. Wang, D. W. Snyder, and J. A. Robinson, ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 16755 (2014).
A. Nag, K. Raidongia, K. P. S. S. Hembram, R. Datta, U. V. Waghmare, and C. N. R. Rao, ACS Nano. 4, 1539 (2010).
S. Suzuki, R. M. Pallares, and H. Hibino, J. Phys. D. Appl. Phys. 45, 385304 (2012).
Y. Xue, X. Jin, Y. Fan, R. Tian, X. Xu, J. Li, J. Lin, J. Zhang, L. Hu, and C. Tang, Polym. Compos. 35, 1707 (2014).
S. Nakhaie, J. M. Wofford, T. Schumann, U. Jahn, M. Ramsteiner, M. Hanke, J. M. J. Lopes, and H. Riechert, Appl. Phys. Lett. 106, 213108 (2015).
H. Wang, X. Zhang, J. Meng, Z. Yin, X. Liu, Y. Zhao, and L. Zhang, Small 11, 1542 (2015).
A. I. Oliva-Avilés, F. Avilés, V. Sosa, and G. D. Seidel, Carbon 61, 342 (2013).
J. Kang, D. Shin, S. Bae, and B. H. Hong, Nanoscale 4, 5527 (2012).
X. Liang, B. A. Sperling, I. Calizo, G. Cheng, C. A. Hacker, Q. Zhang, Y. Obeng, K. Yan, H. Peng, Q. Li, X. Zhu, H. Yuan, A. R. H. Walker, Z. Liu, L. Peng, and C. A. Richter, ACS Nano. 5, 9144 (2011).
Y. Wang, Y. Zheng, X. Xu, E. Dubuisson, Q. Bao, J. Lu, and K. P. Loh, ACS Nano. 5, 9927 (2011).
L. Gao, W. Ren, H. Xu, L. Jin, Z. Wang, T. Ma, L. P. Ma, Z. Zhang, Q. Fu, L. M. Peng, X. Bao, and H.-M. Cheng, Nat. Commun. 3, 699 (2012).
H. Li, J. Wu, X. Huang, Z. Yin, J. Liu, and H. Zhang, ACS Nano. 8, 6563 (2014).
X. Wan, K. Chen, and J. Xu, Small 10, 4443 (2014).
C. J. L. de la Rosa, J. Sun, N. Lindvall, M. T. Cole, Y. Nam, M. Löoffler, E. Olsson, K. B. K. Teo, and A. Yurgens Appl. Phys. Lett. 102, 022101 (2013).
I. Jo, M. T. Pettes, J. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, Z. Yao, and L. Shi, Nano Lett. 13, 550 (2013).
S. J. Kang, G. H. Lee, Y. J. Yu, Y. Zhao, B. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, P. Kim, and C. Nuckolls, Adv. Funct. Mater. 24, 5157 (2014).
M. S. Bresnehan, M. J. Hollander, M. Wetherington, M. LaBella, K. A. Trumbull, R. Cavalero, D. W. Snyder, and J. A. Robinson, ACS Nano. 6, 5234 (2012).
B. Hunt, J. D. Sanchez-Yamagishi, A. F. Young, M. Yankowitz, B. J. LeRoy, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Moon, M. Koshino, P. Jarillo-Herrero, and R. C. Ashoori, Science 340, 1427 (2013).
A. S. Mayorov, R. V. Gorbachev, S. V. Morozov, L. Britnell, R. Jalil, L. A. Ponomarenko, P. Blake, K. S. Novoselov, K. Watanabe, T. Taniguchi, and A. K. Geim, Nano Lett. 11, 2396 (2011).
H. Wang, T. Taychatanapat, A. Hsu, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, and T. Palacios, IEEE Electr. Dev. Lett. 32, 1209 (2011).
L. A. Ponomarenko, A. K. Geim, A. A. Zhukov, R. Jalil, S. V. Morozov, K. S. Novoselov, I. V. Grigorieva, E. H. Hill, V. V. Cheianov, V. I. Fal’ko, K. Watanabe, T. Taniguchi, and R. V. Gorbachev, Nat. Phys. 7, 958 (2011).
L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, A. Mishchenko, T. Georgiou, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. Leist, A. K. Geim, K. S. Novoselov, and L. A. Ponomarenko, Science 335, 947 (2012).
M. Yankowitz, J. Xue, D. Cormode, J. D. Sanchez-Yamagishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, P. Jacquod, and B. J. LeRoy, Nat. Phys. 8, 382 (2012).
S. J. Haigh, A. Gholinia, R. Jalil, S. Romani, L. Britnell, D. C. Elias, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko, A. K. Geim, and R. Gorbachev, Nat. Mater. 11, 764 (2012).
Z. Liu, L. Song, S. Zhao, J. Huang, L. Ma, J. Zhang, J. Lou, and P. M. Ajayan, Nano Lett. 11, 2032 (2011).
M. Wang, S. K. Jang, W.-J. Jang, M. Kim, S.-Y. Park, S.-W. Kim, S.-J. Kahng, J.-Y. Choi, R. S. Ruoff, Y. J. Song, and S. Lee, Adv. Mater. 25, 2746 (2013).
J. M. Garcia, U Wurstbauer, A. Levy, L. N. Pfeiffer, A. Pinczuk, A. S. Plaute, L. Wang, C. R. Deang, R. Buizzaf, A. M. Van Der Zande, J. Hone, K. Watanabeh, and T. Taniguchih, Solid State Commun. 152, 975 (2012).
T. Gao, X. J. Song, H. W. Du, Y. F. Nie, Y. B. Chen, Q. Q. Ji, J. Y. Sun, Y. L. Yang, Y. F. Zhang, and Z. F. Liu, Nature Commun. 6, 6835 (2015).
S. Sharma, G. Kalita, R. Vishwakarma, Z. Zulkifli, and M. Tanemura, Sci. Rep. 5, 10426 (2015).
L. Ci, L. Song, C. Jin, D. Jariwala, D. Wu, Y. Li, A. Srivastava, Z. F. Wang, K. Storr, L. Balicas, F. Liu, and P. M. Ajayan, Nat. Mater. 9, 430 (2010).
Y.-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K. A. Jenkins, D. B. Farmer, H.-Y. Chiu, A. Grill, and P. Avouris, Science 327, 662 (2010).
L. Liao, Y. C. Lin, M. Bao, R. Cheng, J. Bai, Y. Liu, Y. Qu, K. L. Wang, Y. Hunag, and X. Duan, Nature 467, 305 (2010).
T. Ando, J. Phys. Soc. Jpn. 75, 074716 (2006).
M. Ishigami, J. H. Chen, W. G. Cullen, M. S. Fuhrer, and E. D. Williams, Nano Lett. 7, 1643 (2007).
S. V. Morozov, K. S. Novoselov, M. I. Katsnelson, F. Schedin, D. C. Elias, J. A. Jaszczak, and A. K. Geim, Phys. Rev. Lett. 100, 016602 (2008).
S. Fratini and F. Guinea, Phys. Rev. B 77, 195415 (2008).
J. H. Chen, C. Jang, S. Xiao, M. Ishigami, and M. S. Fuhrer, Nature Nanotech. 3, 206 (2008).
R. Decker, Y. Wang, V. W. Brar, W. Regan, H.-Z. Tsai, Q. Wu, W. Gannett, A. Zettl, and M. F. Crommie, Nano Lett. 11, 2291 (2011).
J. Xue, J. Sanchez-Yamagishi, D. Bulmash, P. Jacquod, A. Deshpande, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, and B. J. LeRoy, Nat. Mater. 10, 282 (2011).
I. Meric, C. Dean, A. Young, J. Hone, P. Kim, and K. L. Shepard. IEDM Tech. Dig. pp.23.2.1-4 IEEE, San Francisco (2010).
C. Berger, Z. Song, Xuebin Li, X. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayou, T. Li, J. Hass, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, Science 312, 1191 (2006).
L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, M. I. Katsnelson, L. Eaves, V. Morozov, A. S. Mayorov, N. M. R. Peres, A. H. Castro Neto, J. Leist, A. K. Geim, L. A. Ponomarenko, and K. S. Novoselov, Nano Lett. 12, 1707 (2012).
G. H. Lee, Y. J. Yu, C. Lee, C. Dean, K. L. Shepard, and P. Kim, Appl. Phys. Lett. 99, 243114 (2011).
C. Dean, A. F. Young, L. Wang, I. Meric, G.-H. Lee, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Shepard, P. Kim, and J. Hone, Solid State Commun. 152, 1275 (2012).
B. D. Briggs, B. Nagabhirava, G. Rao, R. Geer, H. Gao, Y. Xu, and B. Yu, Appl. Phys. Lett. 97, 223102 (2010).
T. H. Yu, E. Kim, N. Jain, Y. Xu, R. Geer, and B. Yu, IEDM Tech. Dig. pp.7.5.1-4, IEEE, Washington (2011).
Y. Sui and J. Appenzeller, Nano Lett. 9, 2973 (2009).
N. Jain, C. A. Durcan, R. Jacobs-Gedrim, Y. Xu, and B. Yu, Nanotechnology. 24, 355202 (2013).
N. Jain, M. Murphy, R. Jacobs-Gedrim, M. Shanmugam, Y. Fan, S. Eui, and Y. Bin, IEEE Electr. Dev. Lett. 35, 1311 (2014).
S. A. Han, K. H. Lee, T. H. Kim, W. Seung, S. K. Lee, S Choi, B. Kumar, R. Bhatia, H.-J. Shin, W.-J. Lee, S. M. Kim, H. S. Kim, J.-Y. Choi, and S.-W. Kim, Nano Energy 12, 556 (2015).
L. M. Arden and S. Li, Mater. Today 17, 163 (2014).
S. Z. Butler, S. M. Hollen, L. Cao, Y. Cui, J. A. Gupta, H. R. Gutiérrez, T. F. Heinz, S. S. Hong, J. Huang, A. F. Ismach, E. Johnston-Halperin, M. Kuno, V. V. Plashnitsa, R. D. Robinson, R. S. Ruoff, S. Salahuddin, J. Shan, L. Shi, M. G. Spencer, M. Terrones, W. Windl, and J. E. Goldberger, ACS Nano. 7, 2898 (2013).
J. H. Seol, I. Jo, A. L. Moore, L. Lindsay, Z. H. Aitken, M. T. Pettes, X. Li, Z. Yao, R. Huang, D. Broido, N. Mingo, R. S. Ruoff, and L. Shi, Science 328, 213 (2010).
W. Jang, Z. Chen, W. Bao, C. N. Lau, and C. Dames, Nano Lett. 10, 3909 (2010).
B. Qiu and X. L. Ruan, Appl. Phys. Lett. 100, 193101 (2012).
M. T. Pettes, I. Jo, Z. Yao, and L. Shi, Nano Lett. 11, 1195 (2011).
Z. Yan, G. Liu, J. M. Khan, and A. A. Balandin, Nat. Commun. 3, 827 (2012).
J. Bao, Y. Zhang, and S. R. Huang, J. Basic Sci. Eng. (In press).
S. X. Sun, J. Bao, W. Mu, Y. F. Fu, Y. Zhang, L. L. Ye, and J. Liu, Electr. Comp. Tech. Conf. (ECTC) pp. 1658–1663, IEEE, San Diego (2015).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Bao, J., Jeppson, K., Edwards, M. et al. Synthesis and applications of two-dimensional hexagonal boron nitride in electronics manufacturing. Electron. Mater. Lett. 12, 1–16 (2016). https://doi.org/10.1007/s13391-015-5308-2
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s13391-015-5308-2