Superando restrições de empilhamento em nitreto de boro hexagonal por deposição de vapor químico orgânico-metal-orgânico

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (Postech) e da Universidade de Montpellier sintetizaram com sucesso a escala de nitreto de boro hexagonal em escala de wafer (HBN) exibindo uma configuração de empilhamento de AA, uma estrutura de cristal anteriormente considerada inta-intajável.

Esta conquista, realizada por meio de produtos químicos metal-orgânicos Deposição de vapor (MOCVD) Em um substrato de nitreto de gálio (GaN), introduz uma nova rota para controle preciso de empilhamento em materiais de van der Waals, impactando possíveis aplicações em fotônicas quânticas, optoeletrônicos de profundidade-ultravioleta (DUV).

O estudo, liderado pelos professores Jong Kyu Kim e Si-Younger Choi (Postech) e Guillaume Cassabois (Universidade de Montpellier), fornece informações importantes sobre os fatores que influenciam as configurações de empilhamento não convencionais.

Publicado em Materiais naturaisas descobertas desafiam as suposições anteriores sobre as restrições de empilhamento no HBN, demonstrando que o crescimento guiado por ponta e a incorporação de carga são essenciais para estabilizar a configuração de empilhamento de AA termodinamicamente desfavorável.

O HBN é considerado um materials isolante chave para aplicações eletrônicas, fotônicas e quânticas 2D. Normalmente, o HBN adota uma configuração de empilhamento de AA, na qual os átomos de boro e nitrogênio alternam verticalmente entre as camadas. Por outro lado, a configuração de empilhamento de AA – onde os átomos idênticos se alinham verticalmente – é tradicionalmente considerado instável devido à forte repulsão eletrostática entre camadas intercalador.

Através da investigação detalhada, a equipe de pesquisa descobriu que os etapas dos substratos vicinais GaN servem como locais de nucleação, promovendo o alinhamento unidirecional de camadas de HBN e minimizando o distúrbio rotacional. Esse mecanismo de crescimento guiado por ponta permitiu a formação de filmes de HBN empilhados em escala de alta qualidade e em escala de wafer, garantindo a uniformidade estrutural e a cristalinidade necessárias para aplicações eletrônicas e fotônicas práticas.

Além disso, o estudo destaca o papel crítico da dopagem eletrônica através da incorporação de carbono durante o processo MOCVD. A presença de carbono introduz portadores de carga em excesso, alterando as interações entre camadas e mitigando efetivamente as forças repulsivas normalmente associadas ao empilhamento de AA. Juntos, essa estabilização mediada por carga e alinhamento de ponta constituem um mecanismo anteriormente inexplorado para sequências de empilhamento personalizado em engenharia em materiais de van der Waals.

“Nossa pesquisa demonstra que as configurações de empilhamento nos materiais de van der Waals não são puramente governadas por considerações termodinâmicas, mas podem ser estabilizadas por meio de características do substrato e incorporação de carga”, observou o professor Jong Kyu Kim, que liderou o estudo. “Este perception expande significativamente o potencial de arquiteturas de materiais 2D personalizadas com eletrônicos distintos e propriedades ópticas. “

A caracterização óptica do HBN sintetizado empilhado com AA revelou uma geração de segunda harmônica aprimorada (SHG)-uma marca registrada de estruturas cristalinas não centrosrosmmétricas-indicando aplicações promissoras na óptica não linear. Além disso, o materials exibiu emissão nítida de borda de banda na região DUV, sugerindo seu potencial para dispositivos optoeletrônicos de alta eficiência que operam no espectro DUV.

“A obtenção do controle em escala de bolacha da ordem de empilhamento é um marco importante para sistemas eletrônicos e fotônicos 2D escaláveis ​​e de alto desempenho”, disse Seokho Moon, pesquisador de pós-doutorado do professor Jong Kyu Kim e o principal autor do estudo.

“Este trabalho destaca a versatilidade do MOCVD como uma plataforma para os materiais de van der Waals de manipulação precisa”.