techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2023-13-2-105-116techusgu-168Research ArticleФИЗИКАPHYSICSОптические свойства и зонная структура ленгмюровских пленок нитрида бораOptical Properties and Band Structure of Boron Nitride Langmuir Filmshttps://orcid.org/0009-0005-7272-2939ЛоктионоваИ. В.LoktionovaI. V.

Локтионова Инна Владимировна, кандидатфизико-математических наук, старший научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Inna V. Loktionova, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Regional Center for Nanotechnology 

 50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

ms.chuhaeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Alexander P. Kuzmenko, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center for Nanotechnology 

 50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

apk3527@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5635-8149ЖакинА. И.ZhakinA. I.

Жакин Анатолий Иванович, доктор  физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Anatoly I. Zhakin, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics 

 50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

zhakin@mail.ruЕмельяновВ. М.YemelyanovV. M.

Емельянов Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Victor M. Emelaynov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher 

 50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

vmemelianov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8110-9929СизовА. С.SizovA. S.

Сизов Александр Семёнович, доктор технических наук, помощник проректора по научно-исследовательской работе и международнымсвязям; профессор кафедры информационных систем и технологий

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

ул. Радищева, д. 33, г. Курск 305000, Российская Федерация 

Alexander S. Sizov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Assistant Vice Rector for Scientific Research and International Relations; Professor of the Department of Information Systems and Technologies 

 50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

33 Radishcheva Str., Kursk 305000, Russian Federation 

sizov@mail.ruАбакумовП. В.AbakumovP. V.

Абакумов Павел Владимирович, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики, информатики и математики

ул. К. Маркса, д. 3, г. Курск 305041, Российская Федерация 

Pavel V. Abakumov, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Lecturer of the Physics, Informatics and mathematics Department 

3 K. Marx Str., Kursk 305041, Russian Federation 

abakumovpavel18@gmail.comРышковаА. В.RyshkovaA. V.

Рышкова Анна Викторовна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры физики, информатики и математики

ул. К. Маркса, д. 3, г. Курск 305041, Российская Федерация 

Anna V. Ryshkova, Candidate of Sciences (Pedagogical), Associate Professor of the Physics, Informatics and mathematics Department 

3 K. Marx Str., Kursk 305041, Russian Federation 

Ryshkovaav@kursksmu.nethttps://orcid.org/0000-0002-8087-874XНеручевЮ. А.NeruchevA. Yu.

Неручев Юрий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики и нанотехнологий, научный руководитель научно-исследовательского центра физики конденсированного состояния

ул. Радищева, д. 33, г. Курск 305000, Российская Федерация 

Yury A. Neruchev, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Physics and Nanotechnology, Scientific Supervisor of the Research Center for Condensed Matter Physics 

33 Radishcheva Str., Kursk 305000, Russian Federation 

yuan2003@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4323-351XФилипповВ. В.FilippovV. V.

Филиппов Владимир Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры математики и физики института естественных, математических и технических наук

ул. Ленина, д. 42, г. Липецк 398020, Российская Федерация 

Vladimir V. Filippov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Professor of the Department of Mathematics and Physics of the Institute of Natural, Mathematical and Technical Sciences 

42 Lenina Str., Lipetsk 398020, Russian Federation 

wwfilippow@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университет; Курский государственный университетРоссияSouthwest State University; Kursk State UniversityRussian FederationКурский государственный медицинский университетРоссияKursk State Medical UniversityRussian FederationКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian FederationЛипецкий государственный педагогический университет им. П. П. Семенова-Тян-ШанскогоРоссияLipetsk State Pedagogical University named after P. P. Semenov-Tyan-ShanskyRussian Federation202329092023133105116Copyright © Локтионова И.В., Кузьменко А.П., Жакин А.И., Емельянов В.М., Сизов А.С., Абакумов П.В., Рышкова А.В., Неручев Ю.А., Филиппов В.В., 20232023Локтионова И.В., Кузьменко А.П., Жакин А.И., Емельянов В.М., Сизов А.С., Абакумов П.В., Рышкова А.В., Неручев Ю.А., Филиппов В.В.Loktionova I.V., Kuzmenko A.P., Zhakin A.I., Yemelyanov V.M., Sizov A.S., Abakumov P.V., Ryshkova A.V., Neruchev A.Y., Filippov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/168

Цель. Исследовать структурные особенности пленок нитрида бора, полученных методом Ленгмюра – Блоджетт и определить их зонную структуру по спектрам флуоресценции и поглощения.Методы. Осаждение ленгмюровских пленок производилось на установке KSV NIMA 2002 из коллоидного раствора ST BN/CHCl3. Изучение оптических свойств производилось на спектрфотометре СФ 2000 в спектральном диапазоне 200–1100 нм и конфокальном рамановском микроспектрометре OmegaScope Aist-NT со спектральным разрешением 3 см-1. Изучение морфологии поверхности проводилось с помощью сканирующего зондового микроскопа SmartSPM AIST-NT со стандартными кремниевыми кантилеверами NSA10 с радиусом острия иглы 7 нм. Моделирование зонной структуры стабилизированных наночастиц нитрида бора было произведено в программном пакете MaterialsStudio 2020 с модулем CASTEP.Результаты. Изучены спектральные особенности осажденных пленочных структур из стабилизированных наночастиц гексагонального нитрида бора. Оптическими методами определен гидродинамический размер наночастиц ~100 нм и латеральный размер наночастиц в ленгмюровских пленках 84,6 нм, рассчитанный по полуширине спектрального пика 1360 см-1 с симметрией E2g, и 82,4 нм – по данным сканирующей зондовой микроскопии. Получены спектры поглощения и флуоресценции коллоидных частиц с аномально большим стоксовым сдвигом 105 нм и квантовым выходом 0,72. Методом Тауца и ab-initio моделированием определена ширина запрещенной зоны стабилизированных наночастиц 5,79 и 5,46 эВ соответственно.Заключение. В работе изучены морфология поверхности, оптические свойства и зонная структура осаждаемых ленгмюровских пленок из стабилизированных наночастиц нитрида бора.

Purpose. Investigate the structural features of boron nitride films obtained by the Langmuir-Blodgett method. Observe fluorescence spectra and determine the band structure of the resulting coatings using optical methods.Methods. The deposition of Langmuir films was carried out using the KSV NIMA 2002 setup from the colloidal solution of ST BN/CHCl3. The study of optical properties was conducted using the SF 2000 spectrophotometer in spectral range 200 – 1100 nm and the confocal Raman microspectrometer OmegaScope AIST-NT with spectral resolution 3 cm-1. Surface morphology investigation was performed using the scanning probe microscope SmartSPM AIST-NT with standard silicon cantilevers NSA10, tip radius 7 nm. The band structure modeling of stabilized boron nitride nanoparticles was carried out using the MaterialsStudio 2020 software package with the CASTEP module.Results. The spectral characteristics of deposited film structures made of stabilized hexagonal boron nitride nanoparticles have been investigated. The hydrodynamic size of the nanoparticles was determined to be ~100 nm using optical methods, while the lateral size of the nanoparticles in Langmuir films was found to be 84.6 nm, calculated from the spectral peak at 1360 cm-1 with E2g symmetry, and 82.4 nm based on scanning probe microscopy data. Absorption and fluorescence spectra of colloidal particles were obtained, showing an unusually large Stokes shift of 105 nm and a quantum yield of 0.72. The bandgap width of the stabilized nanoparticles was measured using the Tautz method and ab-initio modeling, resulting in values of 5.79 eV and 5.46 eV, respectively. Conclusion. The study examines the surface morphology, optical properties, and band structure of the deposited Langmuir films made of stabilized boron nitride nanoparticles.

метод Ленгмюра – Блоджеттгексагональный нитрид борапленкифлуоресценциясканирующая зондовая микроскопияспектрофотомерияLangmuir-Blodgett methodhexagonal boron nitridefilmsfluorescencescanning probe microscopyspectrophotometryПубликация подготовлена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213).The publication was prepared as part of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority 2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213).ReferencesComprehensive characterization and analysis of hexagonal boron nitride on sapphire / Shantanu Saha, A. Rice, Amob Ghosh [et al.] // AIP Advances. 2021. Vol. 11, no. 5. Р. 055008. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.2c00880.Shantanu Saha, A. Rice, Amob Ghosh, eds. Comprehensive characterization and analysis of hexagonal boron nitride on sapphire. AIP Advances, 2021, vol. 11, no. 5, pp. 055008. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.2c00880Epitaxy of hexagonal boron nitride thin films on sapphire for optoelectronics / Gaokai Wang, Junhua Meng, Jingren Chen [et al.] // Crystal Growth & Design. 2022. Vol. 22, no. 12. Р. 7207–7214. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.2c00880.Gaokai Wang, Junhua Meng, Jingren Chen, eds. Epitaxy of hexagonal boron nitride thin films on sapphire for optoelectronics. Crystal Growth & Design, 2022, vol. 22, no. 12, pp. 7207–7214. https://doi.org/ 10.1021/acs.cgd.2c00880Phonon-assisted emission and absorption of individual color centers in hexagonal boron nitride / D. Wigger, R. Schmidt, O. Del Pozo-Zamudo [et al.] // 2D Materials. 2019. Vol. 6, no. 3. Р. 035006. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab1188.Wigger D., Schmidt R., Del Pozo-Zamudo O., eds. Phonon-assisted emission and absorption of individual color centers in hexagonal boron nitride. 2D Materials, 2019, vol. 6, no. 3, pp. 035006. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab1188Hexagonal boron nitride quantum dots: Properties, preparation and applications / Xiaofang Zhang, Lulu An, Changning Bai [et al.] // Materials Today Chemistry. 2021. Vol. 20. Р. 100425. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425.Xiaofang Zhang, Lulu An, Changning Bai, eds. Hexagonal boron nitride quantum dots: Properties, preparation and applications. Materials Today Chemistry, 2021, vol. 20, pp. 100425. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425Ellipsometry study of hexagonal boron nitride using synchrotron radiation: transparency window in the Far‐UVC / L. Artús, M. Feneberg, C. Attaccalite[et al.] // Advanced Photonics Research. 2021. Vol. 2, no. 5. Р. 2000101. https://doi.org/10.1002/adpr.202000101.Artús L., Feneberg M., Attaccalite C., eds. Ellipsometry study of hexagonal boron nitride using synchrotron radiation: transparency window in the Far‐UVC. Advanced Photonics Research, 2021, vol. 2, no. 5, pp. 2000101. https://doi.org/10.1002/adpr.202000101Direct growth of hexagonal boron nitride films on dielectric sapphire substrates by pulsed laser deposition for optoelectronic applications / Gaokai Wang, Jingren Chen, Junhua Meng [et al.] // Fundamental Research. 2021. Vol. 1, no. 6. Р. 677–683. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.09.014.Gaokai Wang, Jingren Chen, Junhua Meng, eds. Direct growth of hexagonal boron nitride films on dielectric sapphire substrates by pulsed laser deposition for optoelectronic applications. Fundamental Research, 2021, vol. 1, no. 6, pp. 677–683. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.09.014Growth of hexagonal boron nitride films on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition / Xi Chen, Chunbo Tan, Xiaohang Liu [et al.] // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021. Vol. 32. Р. 3713–3719. https://doi.org/10.1007/s10854-020-05116-6.Xi Chen, Chunbo Tan, Xiaohang Liu, eds. Growth of hexagonal boron nitride films on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 32, pp. 3713–3719. https://doi.org/10.1007/s10854-020-05116-6Karim M., Lopes J. M., Ramsteiner M. The impact of ultraviolet laser excitation during Raman spectroscopy of hexagonal boron nitride thin films // Journal of Raman Spectroscopy. 2020. Vol. 51, no. 12. Р. 2468–2477. https://doi.org/10.1002/jrs.6007.Karim M., Lopes J. M., Ramsteiner M. The impact of ultraviolet laser excitation during Raman spectroscopy of hexagonal boron nitride thin films. Journal of Raman Spectroscopy, 2020, vol. 51, no. 12. pp. 2468–2477. https://doi.org/10.1002/jrs.6007Synthesis of hexagonal boron nitride films on silicon and sapphire substrates by low-pressure chemical vapor deposition / R. Singhal, E. Echeverria, D. N. Mcilroy [et al.] // Thin Solid Films. 2021. Vol. 733. Р. 138812. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.138812.Singhal R., Echeverria E., Mcilroy D. N., eds. Synthesis of hexagonal boron nitride films on silicon and sapphire substrates by low-pressure chemical vapor deposition. Thin Solid Films, 2021, vol. 733, pp.138812. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.138812Improvements in structural and optical properties of wafer-scale hexagonal boron nitride film by post-growth annealing / Seung Hee Lee, Hokyeong Jeong, Odongo Francis Ngome Okello [et al.] // Scientific reports. 2019. Vol. 9, no. 1. Р. 10590. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47093-9.Seung Hee Lee, Hokyeong Jeong, Odongo Francis Ngome Okello, eds. Improvements in structural and optical properties of wafer-scale hexagonal boron nitride film by post-growth annealing. Scientific reports, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 10590. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47093-9Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride / Seokmo Hong, Chang Seok Lee, Min-Hyun Lee [et al.] // Nature. 2020. Vol. 582, no. 7813. Р. 511–514. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2375-9.Seokmo Hong, Chang Seok Lee, Min-Hyun Lee, eds. Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride. Nature, 2020, vol. 582, no. 7813, pp. 511–514. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2375-9Rapid and broad-range thickness estimation method of hexagonal boron nitride using Raman spectroscopy and optical microscope / Yeohghoon Jin, Yoonhyuk Rah, Junghoon Park [et al.] //Applied Physics Letters. 2020. Vol. 116, no. 8. Р. 081104. https://doi.org/10.1063/1.5143972.Yeohghoon Jin, Yoonhyuk Rah, Junghoon Park, eds. Rapid and broad-range thickness estimation method of hexagonal boron nitride using Raman spectroscopy and optical microscope. Applied Physics Letters, 2020, vol. 116, no. 8, pp. 081104. https://doi.org/10.1063/1.5143972Emergence of fluorescence in boron nitride nanoflakes and its application in bioimaging / Vijayesh Kumar, Kumar Nikhil, Partha Roy [et al.] // RSC advances. 2016. Vol. 6, no. 53. Р. 48025–48032. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112910.Vijayesh Kumar, Kumar Nikhil, Partha Roy, eds. Emergence of fluorescence in boron nitride nanoflakes and its application in bioimaging. RSC advances, 2016, vol. 6, no. 53, pp. 48025–48032. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112910Determination of nickel (II) via quenching of the fluorescence of boron nitride quantum dots / Qiuhong Yao, Yufeng Feng, Rong Mingcong [et al.] // Microchimica Acta. 2017. Vol. 184. Р. 4217–4223. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425.Qiuhong Yao, Yufeng Feng, Rong Mingcong, eds. Determination of nickel (II) via quenching of the fluorescence of boron nitride quantum dots. Microchimica Acta, 2017, vol. 184, pp. 4217–4223. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425One‐step synthesis of boron nitride quantum dots: Simple chemistry meets delicate nanotechnology / Bingping Liu, Shihai Yan, Zhongqian Song, Mengli Liu [et al.] // Chemistry–A European Journal. 2016. Vol. 22, no. 52. Р. 18899–18907. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425.Bingping Liu, Shihai Yan, Zhongqian Song, Mengli Liu. One‐step synthesis of boron nitride quantum dots: Simple chemistry meets delicate nanotechnology. Chemistry–A European Journal, 2016, vol. 22. no. 52, pp. 18899–18907. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425Controllable preparation of boron nitride quantum dots with small size and strong blue photoluminescence / Li Chen, Xiaofang Zhang, Zhao Zhao [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. Vol. 614. Р. 126181. https://doi.org/10.1016/j.mtchem. 2021.100425.Li Chen, Xiaofang Zhang, Zhao Zhao, eds. Controllable preparation of boron nitride quantum dots with small size and strong blue photoluminescence. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, vol. 614, pp. 126181. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100425Direct measurement of quantum efficiency of single-photon emitters in hexagonal boron nitride / N. Nikolay, N. Mendelson, E. Özelci [et al.] // Optica. 2019. Vol. 6, no. 8. Р. 1084–1088. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab6310.Nikolay N., Mendelson N., Özelci E., eds. Direct measurement of quantum efficiency of singlephoton emitters in hexagonal boron nitride. Optica, 2019, vol. 6, no. 8, pp. 1084–1088. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab6310Refractive index dispersion of hexagonal boron nitride in the visible and near‐infrared / SeongYeon Lee, Tae-Young Jeong, Suyong Jung [et al.] // Physica status solidi (b). 2019. Vol. 256, no. 6. Р. 1800417. https://doi.org/10.1002/pssb.201800417.Seong-Yeon Lee, Tae-Young Jeong, Suyong Jung, eds. Refractive index dispersion of hexagonal boron nitride in the visible and near‐infrared. Physica status solidi (b), 2019, vol. 256, no. 6, pp. 1800417. https://doi.org/10.1002/pssb.201800417A comprehensive review on planar boron nitride nanomaterials: From 2D nanosheets towards 0D quantum dots / Shayan Angizi, Sayed Ali Ahmad Alem, Mahdi Hasanzadeh Azar [et al.] // Progress in Materials Science. 2022. Vol. 124. Р. 100884. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100884.Shayan Angizi, Sayed Ali Ahmad Alem, Mahdi Hasanzadeh Azar, eds. A comprehensive review on planar boron nitride nanomaterials: From 2D nanosheets towards 0D quantum dots. Progress in Materials Science, 2022, vol. 124, pp. 100884. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100884Boron nitride for excitonics, nano photonics, and quantum technologies / B. Gil, G. Cassabois, R. Cusco [et al.] // Nanophotonics. 2020. Vol. 9, no. 11. Р. 3483–3504. https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0225.Gil B., Cassabois G., Cusco R., eds. Boron nitride for excitonics, nano photonics, and quantum technologies. Nanophotonics, 2020, vol. 9, no. 11, pp. 3483–3504. https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0225

The authors declare that there are no conflicts of interest present.