[论文解读] Excitons and stacking order in h-BN

Romain Bourrellier, Michele Amato+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

2D Materials and Applications参考文献 42被引用 48

一句话总结

本研究确定，六方氮化硼（h-BN）中额外的激子发射来源于局部堆叠顺序畸变（如层折叠），而非缺陷或杂质。通过纳米级阴极发光、高分辨电子显微镜以及GW+Bethe-Salpeter方程计算，作者证明特定堆叠构型（AB1、AB2、AA′）在5.30、5.46、5.62、5.75和5.86 eV处产生独特的激子峰，结合能高达0.77 eV，从而解释了多晶h-BN样品中复杂的发光行为。

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.

研究动机与目标

• 解决h-BN发光光谱中多重激子峰起源长期存在的模糊性。
• 确定多晶h-BN中额外发射是否源于结构缺陷、杂质或堆叠变化。
• 利用多模态实验与理论方法，将纳米尺度光学发射与原子尺度堆叠顺序相关联。
• 建立特定堆叠构型与其在h-BN中产生的激子跃迁之间的直接联系。

提出的方法

• 在扫描透射电子显微镜（STEM）中进行纳米分辨阴极发光超光谱成像，以1 nm电子束探针分辨率绘制空间相关发射光谱。
• 利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）与焦深系列分析，可视化原子堆叠序列并识别层折叠结构。
• 采用密度泛函理论（DFT-LDA）计算，确定不同堆叠顺序下h-BN的基态电子结构。
• 使用GW近似结合剪切算符校正Kohn-Sham带隙，并在Γ点计算准粒子修正。
• 采用Bethe-Salpeter方程（BSE）计算，包含电子-空穴相互作用，预测具有激子效应的光学吸收光谱。
• 系统计算五种堆叠构型（AB1、AB2、AA、AA′、AB3）及中间滑移构型（t = 0.25、0.5、0.75）的光学谱，以模拟连续堆叠转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多晶h-BN中，5.3–5.9 eV范围内观察到的额外尖锐激子峰（超出主导的5.75 eV Frenkel激子）是由何原因引起？
• RQ2 这些额外发射是否与特定原子尺度结构特征（如堆叠缺陷或层折叠）相关？
• RQ3 h-BN堆叠顺序的变化（特别是AB1、AB2、AA′）如何影响光学带隙与激子结合能？
• RQ4 通过不同堆叠多型的第一性原理计算，能否定量再现实验观测到的发射光谱？
• RQ5 电子-空穴相互作用在决定观测到的激子跃迁能量与强度方面起何种作用？

主要发现

• 5.30 eV与5.46 eV发射峰在层折叠处强烈局域化，高分辨成像显示两条平行线间距约10 nm，得到证实。
• 5.75 eV峰对应AA堆叠构型，计算得到的激子结合能为0.49 eV。
• 5.86 eV峰与AA′堆叠构型相关，表现出最高的激子结合能0.77 eV。
• 中间堆叠构型（t = 0.25、0.5、0.75）产生光学吸收光谱的连续变化，表明不同激子态之间存在平滑过渡。
• 实验中观测到的五个激子峰（5.30、5.46、5.62、5.75、5.86 eV）恰好对应五种高对称性堆叠多型（AB1、AB2、AA、AA′、AB3），证实堆叠顺序与光学响应之间存在直接关联。
• 采用GW+Bethe-Salpeter方程的理论计算能高保真度再现实验发射光谱，验证了堆叠起源假说。