[논문 리뷰] 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)|2020. 03. 05.

Luminescence Properties of Advanced Materials참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 7 K에서 1100 K까지의 직접 광학 흥크 상태에서 산소-탄소(O-C) 복합체로 도핑된 헥사곤형 질화붕소(h-BN)에서 온도 의존성 발광을 조사한다. 두 가지 열적 비방출 채널과 유착된 Wannier-Mott 준위에서의 붕괴와 관련된 15 meV 활성화 과정을 규명하여, T > 220 K에서 발광 억제가 발생하는 원인을 밝혀냈다. 이는 (ONCN) 복합체 내에서 기부체(ON-중심, 122 meV)와 깊은 수용체(CN-중심, 1420 meV) 수준의 열 이온화에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 온도 범위에서 산소-탄소 공도핑 헥사곤형 질화붕소(h-BN)의 온도 의존성 발광(PL) 거동을 이해하기 위해.
• 직접 광학 흥크 상태에서 h-BN의 주요 발광 메커니즘과 비방출 경로를 규명하기 위해.
• 특히 (ONCN) 기부체-수용체 쌍으로 구성된 불순물 복합체가 온도에 따른 PL 강도 변화를 어떻게 지배하는지 분석하기 위해.
• 7–1100 K 범위에서 발광 강화 및 억제의 활성화 에너지와 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• 4.26 eV의 직접 광학 흥크 상태에서 7 K에서 1100 K까지의 온도 범위에서 미세결정성 h-BN 흩어린 입자에서 발광(PL) 강도를 측정하였다.
• 온도 의존성 PL 데이터는 ONCN 불순물 복합체에 의해 형성된 기부체-수용체 쌍과 관련된 에너지 준위의 밴드 모델을 사용하여 분석하였다.
• PL 강도 감쇠를 두 개의 독립적인 열 활성화 과정에 맞추어 적합함으로써 열적 비방출 메커니즘을 규명하였다.
• 유착된 Wannier-Mott 준위에서의 기여를 활성화 에너지 분석을 통해 평가하였으며, 15 meV 활성화 장벽을 확인하였다.
• 이론적 모델링을 적용하여 고온에서 발광 억제의 주요 경로로 작용하는 ON-중심(122 meV)과 CN-중심(1420 meV)의 이온화를 해석하였다.
• 실험적 PL 분광법과 에너지 준위 모델링의 조합을 통해 경쟁하는 발광 경로를 해소하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O-C 공도핑 h-BN에서 200 K 이하에서 관측된 발광 강도 증가의 원인은 무엇인가요?
• RQ2 T > 220 K에서 발광 강도 감소를 유도하는 주요 열적 비방출 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 유착된 Wannier-Mott 준위의 붕괴가 (ONCN) 기부체-수용체 쌍으로의 에너지 전달에 어떻게 기여하는가요?
• RQ4 ON-중심(122 meV)과 CN-중심(1420 meV)은 발광 억제를 유도하는 열 이온화 과정에서 어떤 역할을 하나요?
• RQ5 저온에서의 발광 강화와 관련된 활성화 에너지는 얼마이며, 이는 어떤 물리적 과정을 나타내나요?

주요 결과

• 200 K 이하에서 유착된 Wannier-Mott 준위의 붕괴와 그에 따른 (ONCN) 기부체-수용체 쌍으로의 에너지 전달과 관련된 15 meV 활성화 과정으로 인해 발광 강도가 증가한다.
• 220 K 이상에서 PL 강도 감소는 (ONCN) 복합체 내 ON-중심(122 meV 기부체 수준)과 깊은 CN-중심(1420 meV 수용체 수준)의 열 이온화로 인해 발생한다.
• 두 개의 독립적인 열 활성화 채널이 발광 억제를 담당하며, 비방출 회귀의 별개의 에너지 경로를 나타낸다.
• 4.1 eV 발광 피크는 (ONCN) 복합체를 통한 재결합에 기인하며, 그 강도는 경쟁적인 흥크 및 억제 메커니즘에 의해 조절된다.
• 관측된 15 meV 활성화 에너지는 h-BN 격자 내 Wannier-Mott 준위의 결합 에너지와 일치하며, 이는 에너지 전달에 기여하는 역할을 뒷받침한다.
• 이 연구는 (ONCN) 복합체가 h-BN에서 안정된 발광 중심으로 기능하며, 그 광학적 반응이 온도 의존적 이온화 및 준위 효과에 의해 강하게 지배됨을 확인한다.