UV emission of color centers in hexagonal boron nitride - high-pressure study

Emisja promieniowania ultrafioletowego centrów barwnych w heksagonalnym azotku boru - badania w wysokich ciśnieniach hydrostatycznych

Azotek boru o heksagonalnej symetrii krystalicznej (hBN) jest półprzewodnikiem o szerokiej skośnej przerwie wzbronionej. hBN został zsyntetyzowany już w XIX wieku, ale dopiero niedawno wyprodukowano wysokiej jakości monokryształy o rozmiarach milimetrowych [1], co umożliwiło skonstruowanie urządzenia emitującego światło w dalekim nadfiolecie [2]. To osiągnięcie utorowało drogę do zastosowań hBN w zaawansowanej optoelektronice, gdzie materiał ten konkuruje z azotkiem glinu [3]. Ponadto, Bourrelier i in. zaobserwowali w 2016 roku w hBN emisję pojedynczych fotonów pochodzących z centrów barwnych emitujących kwanty o energii 4,1 eV [4], ale fizyczna natura tych centrów jest nadal przedmiotem dyskusji. Aby przyczynić się do wyjaśnienia pochodzenia takiej emisji, przeprowadziliśmy badania fotoluminescencji kryształów h-BN, w niskich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym,  w obszarze widmowym  3–4 eV, stosując technikę kowadeł diamentowych. Wyniki pokazały, że energia emisji zmniejszała się wraz ze wzrostem ciśnienia z mniejszą czułością niż pasmo wzbronione [5]. Takie zachowanie, różniące się od przesunięcia pasma wzbronionego, jest typowe dla głębokich pułapek. Co ciekawe, pomiary wykazały istnienie poziomów, których zachowanie pod wpływem ciśnienia różni się (występuje mniejszy spadek energii emisji, lub nawet jej wzrost) od własności pozostałych poziomów w tym obszarze energetycznym. Obliczenia zależności ciśnienia różnych poziomów defektów w hBN wykazały, że niektóre z obserwowanych linii widma UV są powiązane z defektami związanymi z węglem, a ich zachowanie pod ciśnieniem silnie zależy od politypu hBN, tj. różnych sekwencji układania warstw. Nasze wyniki pokazują, że dostrojenie kolejności układania w różnych politypach danego kryształu zapewnia unikalne „odciski palców” przyczyniające się do identyfikacji defektów w materiałach dwuwymiarowych.

[1] K. Watanabe i in., Nat. Mater., 3, 404 (2004).

[2] K. Watanabe i in., Int. J.Aplikacja Ceram. Techn., 8, 977 (2011).

[3] H.X. Jiang i in., ECS J. Solid State Sci. Techn., 6, Q3012 (2017).

[4] R. Bourrellier i wsp., Nano Lett. 16 4317 (2016).

[5] K. Koronski i in., Superlattices and Microstructures, 131, 1 (2019).

Wykład będzie wygłoszony po angielsku.