Оптические свойства и зонная структура ленгмюровских пленок нитрида бора

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.

1. Comprehensive 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.

2. Epitaxy 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.

3. Phonon-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.

4. Hexagonal 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.

5. Ellipsometry 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.

6. Direct 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.

7. Growth 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.

8. 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. Р. 2468–2477. https://doi.org/10.1002/jrs.6007.

9. Synthesis 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.

10. Improvements 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.

11. Ultralow-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.

12. Rapid 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.

13. Emergence 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.

14. Determination 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.

15. One‐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.

16. Controllable 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.

17. Direct 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.

18. Refractive 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.

19. A 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.

20. Boron 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.