Het overwinnen van stapelbeperkingen in zeshoekige boornitride via metaal-organische chemische dampafzetting

Onderzoekers van Pohang University of Science and Technology (Postech) en de Universiteit van Montpellier hebben met succes de zeshoekige boornitride (HBN) op waferschaal gesynthetiseerd die een AA-stacking-configuratie vertonen, een kristalstructuur die eerder als onbereikbaar werd beschouwd.

Deze prestatie, bereikt via metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) op een galliumnitride (GAN) substraat, introduceert een nieuwe route voor precieze stapelregeling in van der Waals-materialen, die invloed hebben op potentiële toepassingen in kwantumfotonica, diepe-ultraviolet (DUV) optoetelectroniek en volgende gegeneratie-elektronische apparaten.

De studie, geleid door professoren Jong Kyu Kim en Si-Young Choi (Postech) en Guillaume Cassabois (Universiteit van Montpellier), biedt belangrijke inzichten in de factoren die van invloed zijn op onconventionele stapelconfiguraties.

Gepubliceerd in Natuurmaterialende bevindingen dagen eerdere veronderstellingen uit over het stapelen van beperkingen in HBN, wat aantoont dat stapgeleide groei- en ladingsopname essentieel zijn bij het stabiliseren van de thermodynamisch ongunstige AA-stapelconfiguratie.

HBN wordt al lang beschouwd als een belangrijk isolatiemateriaal voor 2D -elektronische, fotonische en kwantumtoepassingen. Meestal neemt HBN een AA ‘stapelconfiguratie aan, waarin boor- en stikstofatomen verticaal wisselen tussen lagen. De AA -stapelconfiguratie daarentegen – waar identieke atomen verticaal worden uitgelijnd – is traditioneel als onstabiel beschouwd vanwege sterke interlayer -elektrostatische afstoting.

Door gedetailleerd onderzoek ontdekte het onderzoeksteam dat stiefrondes op Vicinal GAN-substraten dienen als nucleatie-locaties, het bevorderen van de unidirectionele afstemming van HBN-lagen en het minimaliseren van rotatiestoornissen. Dit step-edge geleide groeimechanisme maakte de vorming van hoogwaardige AA-gestapelde HBN-films op wafers mogelijk, waardoor zowel structurele uniformiteit als kristalliniteit nodig zijn voor praktische elektronische en fotonische toepassingen.

Bovendien benadrukt de studie de cruciale rol van elektronische doping door koolstofopname tijdens het MOCVD -proces. De aanwezigheid van koolstof introduceert overtollige ladingsdragers, verandert interlayer -interacties en beperken de afstotende krachten effectief geassocieerd met AA -stacking. Samen vormen deze lading-gemedieerde stabilisatie en step-edge-uitlijning een eerder onontgonnen mechanisme voor engineering op maat gemaakte stapelsequenties in Van der Waals-materialen.

“Ons onderzoek toont aan dat het stapelen van configuraties in Van der Waals -materialen niet puur wordt bepaald door thermodynamische overwegingen, maar in plaats daarvan kunnen worden gestabiliseerd door substraatkenmerken en ladingsopname,” merkte professor Jong Kyu Kim op, die de studie leidde. “Dit inzicht breidt het potentieel voor op maat gemaakte 2D -materiaalarchitecturen met verschillende elektronische en optische eigenschappen aanzienlijk uit.”

Optische karakterisering van de gesynthetiseerde AA-gestapelde HBN onthulde verbeterde tweede-harmonische generatie (SHG)-een kenmerk van niet-centrosymmetrische kristalstructuren-die veelbelovende toepassingen in niet-lineaire optica indiceren. Bovendien vertoonde het materiaal een scherpe band-randemissie in de DUV-regio, hetgeen suggereert dat het potentieel voor zeer efficiënte opto-elektronische apparaten in het DUV-spectrum opereerden.

“Het bereiken van waferschaalcontrole van de stapelvolgorde is een belangrijke mijlpaal voor schaalbare, krachtige 2D-elektronische en fotonische systemen,” zei Seokho Moon, een postdoctorale onderzoeker in professor Jong Kyu Kim’s Lab en de hoofdauteur van de studie.

“Dit werk benadrukt de veelzijdigheid van MOCVD als een platform voor precies gemanipuleerde van der Waals -materialen.”