[논문 리뷰] Excitons and stacking order in h-BN

Romain Bourrellier, Michele Amato외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 09.

2D Materials and Applications참고 문헌 42인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 헥사고날 붕소 nitride(h-BN)에서 추가적인 에크시토닉 발광이 결함이나 불순물이 아닌, 국소적인 스택킹 순서의 왜곡, 예를 들어 층 접힘에 기인함을 규명한다. 나노스케일 카타드오루미네선스, 고해상도 전자현미경 및 GW+Bethe-Salpeter 방정식 계산을 통해 저자들은 특정 스택킹 구조(AB1, AB2, AA′)가 5.30, 5.46, 5.62, 5.75 및 5.86 eV에서 고유한 에크시토닉 피크를 생성하며, 결합 에너지는 최대 0.77 eV에 이르며, 다결정 h-BN 시료에서의 복잡한 발광을 설명한다.

ABSTRACT

The strong excitonic emission at 5.75 eV of hexagonal boron nitride (h-BN) makes this material one of the most promising candidate for light emitting devices in the far ultraviolet (UV). However, single excitons occur only in perfect monocrystals that are extremely hard to synthesize, while regular h-BN samples present a complex emission spectrum with several additional peaks. The microscopic origin of these additional emissions has not yet been understood. In this work we address this problem using an experimental and theoretical approach that combines nanometric resolved cathodoluminescence, high resolution transmission electron microscopy and state of the art theoretical spectroscopy methods. We demonstrate that emission spectra are strongly inhomogeneus within individual flakes and that additional excitons occur at structural deformations, such as faceted plane folds, that lead to local changes of the h-BN stacking order.

연구 동기 및 목표

• 다결정 h-BN의 발광 스펙트럼에서 다수의 에크시토닉 피크 기원에 대한 오랫동안 지속된 모호성을 해결하기 위해.
• 다결정 h-BN에서 추가적인 발광이 구조적 결함, 불순물 또는 스택킹 변화에서 기인하는지 규명하기 위해.
• 다중 모odal 실험 및 이론적 기법을 통해 나노스케일 광학적 발광을 원자 스케일의 스택킹 순서와 연관시키기 위해.
• 특정 스택킹 구조와 그에 따른 h-BN 내 에크시토닉 전이 간의 직접적인 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)에서 나노미터 해상도의 카타드오루미네선스 히퍼스펙트럴 영상 촬영을 통해 1 nm 전자 프로브 해상도로 공간적으로 관련된 스펙트럼을 맵핑하기 위해.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM) 및 포커스 시리즈 분석을 통해 원자 스케일의 스택킹 순서를 시각화하고 층 접힘을 식별하기 위해.
• 다양한 스택킹 순서를 가진 h-BN의 기초 상태 전자 구조를 결정하기 위해 밀도기반함수이론(DFT-LDA) 계산을 수행하기 위해.
• Kohn-Sham 밴드 갭을 교정하고, Γ 점에서 준입자 보정을 계산하기 위해 GW 근사와 스카이서 연산자를 사용하기 위해.
• 전자-정공 상호작용을 포함하고 광학 흡수 스펙트럼을 에크시토닉 효과와 함께 예측하기 위해 Bethe-Salpeter 방정식(BSE) 계산을 수행하기 위해.
• 연속적인 스택킹 전이를 모델링하기 위해 다섯 가지 스택킹 구조(AB1, AB2, AA, AA′, AB3)와 중간 이동 구조(t = 0.25, 0.5, 0.75)에 대한 광학 스펙트럼을 체계적으로 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정 h-BN에서 관측된 5.3–5.9 eV 범위의 추가적인 날카운 에크시토닉 피크는 주로 5.75 eV의 Frenkel 에크시톤 외에 무엇에 기인하는가?
• RQ2 이러한 추가적인 발광은 스택링 결함 또는 층 접힘과 같은 특정 원자 스케일의 구조적 특징과 관련이 있는가?
• RQ3 특히 AB1, AB2, AA′에 의한 h-BN의 스택킹 순서 변화가 광학 밴드 갭과 에크시토닉 결합 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 스택링 다형체의 첫 번째 원리 계산을 통해 실험적으로 관측된 발광 스펙트럼을 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ5 전자-정공 상호작용은 관측된 에크시토닉 전이의 에너지와 강도를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 5.30 eV 및 5.46 eV 발광 피크는 층 접힘 부근에 강하게 국소화되어 있으며, 약 10 nm 간격의 이중 평행선을 보이는 고해상도 영상으로 확인되었다.
• 5.75 eV 피크는 AA 스택킹 구조에 해당하며, 계산된 에크시톤 결합 에너지는 0.49 eV였다.
• 5.86 eV 피크는 AA′ 스택킹 구조에 관련되어 있으며, 가장 높은 에크시톤 결합 에너지 0.77 eV를 보였다.
• 중간 스택킹 구조(t = 0.25, 0.5, 0.75)는 광학 흡수 스펙트럼에서 연속적인 변화를 유도하여, 고유한 에크시토닉 상태 간의 부드러운 전이를 나타내었다.
• 실험적으로 관측된 다섯 개의 에크시토닉 피크(5.30, 5.46, 5.62, 5.75, 5.86 eV)는 정확히 다섯 가지 고대칭성 스택킹 다형체(AB1, AB2, AA, AA′, AB3)에 대응하며, 스택킹 순서와 광학 반응 간의 직접적인 연관성을 확인하였다.
• GW+Bethe-Salpeter 방정식을 사용한 이론적 계산은 실험적 발광 스펙트럼을 높은 정밀도로 재현하였으며, 스택킹 기원 가설을 검증하였다.