[論文レビュー] Temperature effects in luminescence of associated oxygen-carbon pairs in hexagonal boron nitride under direct optical excitation within 7-1100 K range

A. S. Vokhmintsev, I. A. Weinstein|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Luminescence Properties of Advanced Materials参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、7 K から 1100 K の温度範囲で直接光学励起を行うことで、酸素-炭素（ONCN）複合体でドーピングされた六方晶窒化ホウ素（h-BN）における温度依存性フォトルミネッセンスを調査した。2つの熱的クエンチング経路と、束縛ワニエ＝モット励起子の崩壊に関連する15 meVの活性化プロセスを特定し、220 K 以上の温度で発光クエンチングが生じるのは、(ONCN) 複合体内におけるドナー（ONセンター、122 meV）および深レベルアクセプター（CNセンター、1420 meV）準位の熱的イオン化によるものであることを明らかにした。

ABSTRACT

We have studied the temperature dependencies of the photoluminescence (PL) intensity of 4.1 eV in microcrystalline powder of hexagonal boron nitride in the range of 7-1100 K. The results obtained have been analyzed within the band model of energy levels of associated donor-acceptor pairs based on impurity (ONCN) complexes. Luminescence enhancement processes at T<200 K and two independent channels of external thermal activation quenching are typical of the observable luminescence mechanisms under direct (4.26 eV) excitations of the samples. It has been shown that, at T>220 K, when directly excited, the samples diminish the PL intensity because of the processes of thermal ionization of the donor level of the ON-center (122 meV) and the deep acceptor level of the CN-center (1420 meV) as parts of the (ONCN)-complex. The temperature enhancement region with an activation energy of 15 meV is due to the decay of a bound Wannier-Mott exciton followed by transfer of excitation to the associated donor-acceptor pair.

研究の動機と目的

• 広い温度範囲にわたる酸素-炭素共ドーピング六方晶窒化ホウ素（h-BN）の温度依存性フォトルミネッセンス（PL）挙動を理解すること。
• 直接光学励起下での h-BN における主な発光メカニズムおよびクエンチング経路を同定すること。
• 特に (ONCN) ドナー・アクセプター対としての不純物複合体が、温度に依存する PL 強度変化を支配する役割を分析すること。
• 7–1100 K の範囲における発光強度増大およびクエンチングの活性化エネルギーおよびメカニズムを特定すること。

提案手法

• 微結晶性 h-BN 粉体におけるフォトルミネッセンス（PL）強度を、7 K から 1100 K の温度範囲で 4.26 eV の直接光学励起条件下で測定した。
• 温度依存性 PL データは、ONCN 不純物複合体が形成するドナー・アクセプター対に関連するエネルギー準位のバンドモデルを用いて分析した。
• PL 強度の減衰を2つの独立した熱的活性化プロセスにフィッティングすることで、熱的クエンチング機構を同定した。
• 束縛ワニエ＝モット励起子の寄与を活性化エネルギー解析により評価し、15 meV の活性化エネルギー障壁を特定した。
• 理論的モデリングを用いて、ONセンター（122 meV）および CNセンター（1420 meV）準位のイオン化が高温での主要なクエンチング経路であることを解釈した。
• 実験的 PL 分光法とエネルギー準位モデリングの組み合わせにより、競合する発光経路を解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O-C共ドーピング h-BN において、200 K 未満の温度で観察されるフォトルミネッセンス強度の増大は、何に起因するか？
• RQ2 220 K 以上の温度で PL 強度が減少する主な熱的クエンチング機構は何か？
• RQ3 束縛ワニエ＝モット励起子の崩壊が、(ONCN) ドナー・アクセプター対への励起エネルギー移動にどのように寄与するか？
• RQ4 ONセンター（122 meV）および CNセンター（1420 meV）は、発光クエンチングを引き起こす熱的イオン化過程において、それぞれどのような役割を果たすか？
• RQ5 低温発光強度増大に関連する活性化エネルギーは何か？ また、その物理的プロセスは何か？

主な発見

• 200 K 未満の温度で発光強度が増大するのは、束縛ワニエ＝モット励起子の崩壊に関連する15 meVの活性化プロセスと、その後に続く (ONCN) ドナー・アクセプター対へのエネルギー移動に起因する。
• 220 K 以上の温度で PL 強度が減少するのは、(ONCN) 複合体内における ONセンター（122 meV ドナー準位）および深レベル CNセンター（1420 meV アクセプター準位）の熱的イオン化によるものである。
• 2つの独立した熱的活性化経路が発光クエンチングを引き起こしており、非放射的緩和のための別々のエネルギー経路が存在することを示している。
• 4.1 eV のフォトルミネッセンスピークは、(ONCN) 複合体を通じた再結合に起因し、その強度は競合する励起およびクエンチングメカニズムによって制御されている。
• 観察された15 meV の活性化エネルギーは、h-BN 格子内でのワニエ＝モット励起子の結合エネルギーと整合しており、励起子移動におけるその役割を裏付けている。
• 本研究は、(ONCN) 複合体が h-BN における安定な発光中心として機能することを確認した。その光学的応答は、温度依存的なイオン化および励起子効果によって強く支配されている。