[论文解读] Defect-engineering hexagonal boron nitride using low-energy Ar+ irradiation

Manuel Längle, Barbara Maria Mayer+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2024

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究证明，低能 Ar⁺ 离子辐照可在单层六方氮化硼（hBN）中实现选择性缺陷工程，实验结果表明，形成硼单空位（55%）的倾向远强于氮单空位（12%）——这与先前的分析分子动力学预测相反。该方法在低辐照剂量下即可实现高缺陷选择性，从而可控制地创建特定点缺陷，适用于量子发射器应用。

ABSTRACT

Monolayer hexagonal boron nitride (hBN) has recently become the focus of intense research as a material to host quantum emitters. Although it is well known that such emission is associated with point defects, so far no conclusive correlation between the spectra and specific defects has been demonstrated. Here, we prepare atomically clean suspended hBN samples and subject them to low-energy ion irradiation. The samples are characterized before and after irradiation via automated scanning transmission electron microscopy imaging to assess the defect concentrations and distributions. We find an intrinsic defect concentration of ca. 0.03/nm2 (with ca. 55% boron and 8% nitrogen single vacancies, 20% double vacancies and 16% more complex vacancy structures). To be able to differentiate between these and irradiation-induced defects, we create a significantly higher (but still moderate) concentration of defects with the ions (0.30/nm2), and now find ca. 55% boron and 12% nitrogen single vacancies, 14% double vacancies, and 18% more complex vacancy structures. The results demonstrate that already the simplest irradiation provides selectivity for the defect types, and open the way for future experiments to explore changing the selectivity by modifying the irradiation parameters.

研究动机与目标

• 实验验证理论预测：在低能离子辐照下 hBN 中缺陷形成的机制。
• 确定 Ar⁺ 离子在单层 hBN 中生成特定点缺陷（如硼空位与氮空位）的选择性。
• 利用高分辨率自动化 STEM 成像区分本征缺陷与辐照诱导缺陷。
• 评估低能离子辐照作为二维材料中靶向缺陷工程工具的可行性。
• 解决模拟预测与实验观测在缺陷形成机制上的差异。

提出的方法

• 通过无聚合物转移法制备原子级清洁、悬挂的单层 hBN 样品，置于混合 Au/SiN TEM 网格上。
• 在 60 kV 条件下使用自动化扫描透射电子显微镜（STEM）的环形暗场（ADF）模式，实现高分辨率缺陷成像与定量分析。
• 以受控剂量的低能 Ar⁺ 离子（90–230 eV）辐照 hBN 样品，诱导缺陷形成，同时保留原始区域用于对比。
• 利用自动化缺陷检测与分类算法，定量分析本征缺陷与辐照诱导缺陷的浓度和类型。
• 比较辐照前后缺陷分布，以分离辐照诱导的贡献。
• 采用基于密度泛函理论（DFT）的分子动力学方法，评估位移阈值并验证实验结果。

Figure 1: Overview of the sample. (a) Light microscopy image of the sample after transfer. The purple/blue area corresponds to the Si grid, the light blue squares to Quantifoil. The yellow square is the perforated SiN window where the suspended sample can be found when holes in SiN and the Quantifoi

实验结果

研究问题

• RQ1 在制备完成并清洁后的单层 hBN 中，本征缺陷的浓度与分布如何？
• RQ2 低能 Ar⁺ 辐照如何影响 hBN 中特定点缺陷的形成？
• RQ3 实验观测到的缺陷分布是否与分析势分子动力学模拟的预测一致？
• RQ4 在低能离子辐照下，形成硼单空位与氮单空位的相对概率是多少？
• RQ5 能否通过调节辐照参数实现在 hBN 中的选择性缺陷工程？

主要发现

• 在原始、清洁的 hBN 样品中，本征缺陷浓度约为 0.03 nm⁻²，其中 55% 为硼单空位，8% 为氮单空位。
• 在辐照剂量约为 ~0.30 nm⁻² 后，缺陷分布变为：55.6% 硼单空位，11.5% 氮单空位，14.4% 双空位，18% 复合空位结构。
• 实验观测到的缺陷分布强烈偏好形成硼空位，与先前分析分子动力学模拟预测的硼与氮空位概率相近或氮空位更占优势的结论相矛盾。
• 观测到的缺陷浓度比估算的入射离子数量高出约 3 倍，表明缺陷形成概率接近于 1，远高于模拟预测值。
• 该差异归因于分析势模型的局限性，特别是忽略了绝缘性二维材料（如 hBN）中的电荷效应与非弹性散射。
• 基于 DFT 的分子动力学计算证实，硼的位移阈值能量（19.36 eV）低于氮（23.06 eV），支持实验观测到的硼空位形成偏好。

Figure 2: Plasma setup, beam profile measurement and defect concentration. (b) Schematic presentation of the plasma irradiation setup and the Faraday up. (d) Measured ion current $I$ and the calculated beam profile ( $\mathrm{d}I/\mathrm{d}V$ ) as a function of the bias voltage ( $V$ ). The purple p