六方氮化硼单晶与二维薄膜光学性质研究

来源 :广西大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gggmtdh2009
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近年来二维(2D)材料多种独特优异的性能逐渐被发现,被应用于众多科研领域。六方氮化硼(hBN)作为一种典型的二维材料,带隙接近6e V,具有类石墨晶体结构,表面原子级光滑,拥有高温稳定性,化学惰性和优异的光电性能。由于其良好的介电性质,常被用于构造二维材料异质结器件,是作为石墨烯器件衬底或绝缘栅极的良好材料。目前无法稳定地获得高质量大尺寸的hBN单晶是阻碍其研究的一大难点,对hBN的光学性质还缺乏充分了解,特别是其内部缺陷相关发射的起源还有待研究。本文利用多光谱手段对采用常压高温金属熔剂法生长体系中掺碳和掺金的hBN晶体和薄膜的各项光学性质进行了测量及分析,并对其载流子动力学过程和材料热力学性质进行了深入研究。研究结果为高质量大尺寸hBN的生长提供了新的思路,对未来hBN基器件的制备和性能改善有指导意义。本论文研究主要有以下方面内容:(1)利用X射线衍射、X射线光电子能谱、拉曼散射光谱以及光致发光谱等手段对不同掺碳量生长的hBN晶体结构和光学性质进行表征。结果表明:1.8%掺碳量的hBN具有最优的硼氮比,其X射线衍射和拉曼的半峰宽最窄,并且拉曼半宽随温度变化的范围更小,表现出更好的晶体质量和热稳定性。通过不同激发波长的光致发光测试确定了碳掺入对hBN中零声子线的产生和强度具有重要影响,掺碳后深能级发射带的强度被提高。上述结果证实了碳与hBN深能级缺陷发射的强相关性,产生的零声子线在低温和室温下均具有良好的发光稳定性,有潜力作为单光子发射源进行应用。(2)碳的掺入虽然有效提高了hBN的晶体尺寸,但也不可避免地引入了更多的缺陷,使得晶体表面出现大量悬崖状和沟槽状的裂纹。在掺碳的基础上再在合金中添加高表面张力的贵金属金,光学显微图表明金的加入使得hBN表面更为平坦,裂纹数量随着掺金量的提高显著减少。利用各种光谱手段对沟壑产生的原因、内部载流子机制进行了分析。确认了这些裂纹的成分主要为高度分离生长的石墨烯相和一些破碎的hBN组分,金的掺入促进了硼原子和氮原子在镍铬合金中的高度扩散和均匀分布,并且抑制了碳原子进入hBN结构中形成石墨烯层,从而获得缺陷更少的hBN晶体。更窄的拉曼半宽表明掺金有效改善了hBN的晶体质量,裂纹类缺陷态的减少使得具有极小活化能(~10 me V)的非辐射复合过程被抑制,从而提高了光致发光效率。同时变温拉曼光谱显示,掺金生长的hBN单晶所受应力范围更窄,具有更好的稳定性。(3)通过机械剥离获得hBN薄片,将其转移到PET衬底上构造柔性hBN/PET样品。通过弯曲对样品施加外部拉伸应力,利用光谱手段分析其特性。E2g(high)模式随弯曲程度的位移用于计算外部应力大小,施加的外应力实现了高达76.5%的发光强度提高,表现了应力对hBN光学性质的调控作用,但随着应力的进一步施加,发光强度会逐渐降低。通过时间分辨光致发光对柔性样品进一步分析,载流子寿命呈现先减少后增加的趋势,与荧光强度的变化趋势符合,外应力的增加提高了辐射复合发生的概率。本工作不仅为利用常压技术提高hBN晶体的质量和控制其缺陷相关的发射特性提供了指导,而且全面详细分析了hBN的光学性质,为hBN/石墨烯界面的研究提供了一个新的方向,在hBN的柔性研究方向进行了初步探索,这对未来二维材料器件的制备至关重要。
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