氮化硼“白石墨烯”二维材料的等电子掺杂研究

The experimental discovery of graphene in 2004 has opened the door of 2D material research. The 2D atomic layers of hexagonal boron nitride (h-BN), so called 'white graphene', share the most similar honeycomb lattice structure with graphene and possess many peculiar physical and chemical properties. Known as typical wide band-gap (Eg>5.5 eV) semiconductors, the h-BN based materials have long been expected to hold great promise in deep-ultraviolet (DUV) light emitting materials and devices. However, research along this aspect has been prohibited by a long-standing problem, that is, the DUV light emitting properties of h-BN materials are often heavily deteriorated due to the presence of deep-energy-level defects and/or impurities that will trap the free band-edge excitons. This project is tended to address this challenging issue by exploring isoelectronic doping of BN 'graphene' atomic layers on the basis of their controlled "bottom-up" synthesis. By introducing the isoelectronic centers with shallow energy levels in the forbidden band of h-BN, the band-edge excitions will be trapped preferentially by the isoelectronic dopants, thereby giving rise to intense DUV light emitting with energies just nearby the band-edge region. We will study the detailed mechanism with respect to how the isoelectronic centers in a BN system can bind the free band-edge excitons and the subsequent emitting process. These related studies will pave a new avenue for the development of high-efficiency DUV light emitting materials and devices based on the BN 'white graphene'.

2004年石墨烯的发现为人们开启了二维材料之门。有着"白石墨烯"之称的BN二维原子晶体材料，其晶格结构与石墨烯最为相似，具有很多优异的物理和化学性能，极具研究价值。作为宽带隙（大于5.5 eV）半导体，六方BN（h-BN）基材料在深紫外发光材料与器件方面的应用价值一直备受关注，但是其深紫外区带边发射往往会被深能级缺陷或杂质强烈抑制，这是h-BN基材料要想真正应用于深紫外发光材料与器件所必须解决的一个关键科学问题。本项目中针对BN白石墨烯拟将开展的研究工作，便主要是围绕这一目标而展开的。我们将在"自下而上"控制生长单原子层（或少层）厚度的高质量二维BN"白石墨烯"的基础上，研究其等电子掺杂问题，通过在BN禁带中引入浅能级的等电子发光中心，来增强其深紫外发光性能，并研究等电子中心如何束缚自由激子及其高效发光的物理机制，以期为新型高效的h-BN基深紫外发光材料与器件的研究与开发开辟一条新的途径。

六方BN二维原子晶体材料具有与石墨烯最为相似的原子结构，俗称“白石墨烯”，是二维材料家族的重要成员之一，由于其优异的物理和化学性能，具有重要的研究价值与应用前景，特别是在深紫外发光材料与器件方面的应用价值一直备受关注。但是，BN基材料的深紫外区带边发射，往往会被材料中的深能级缺陷或杂质强烈抑制，为解决这一关键科学问题，本项目提出了对BN二维材料进行“等电子掺杂”的研究方案，通过在BN 禁带中引入浅能级的等电子掺杂中心，来束缚自由激子实现高效发光，从增强BN二维材料的深紫外发光性能。本项目执行期间，各项研究工作均已按计划全面开展，进展比较顺利，取得了一系列重要研究成果，主要包括：1）解决了BN二维材料等电子掺杂的一个关键性难题，通过界面自限制反应法成功实现了BN纳米片层的磷元素（P）等电子掺杂，并观察到由于P等电子掺杂效应而带来的BN深紫外发光性能的调控与显著提升，目前正在利用P掺杂BN二维纳米片材料，来制作和优化其深紫外电致发光器件；2）深入研究了BN二维材料的C均匀相掺杂与电子结构调控问题，发展了均匀三元相B-C-N二维材料的化学气相沉积（CVD）生长技术，有效解决了C/BN相分离的难题，制备出大面积连续均匀相B-C-N二维原子层薄膜与亚单层二维量子点结构，并发现了均匀三元相B-CN具有独特的Dirac型电子能带结构；3）探索研究了通过基于二次谐波产生（SHG）的非线性光学过程，来实现BN二维材料的深紫外发光特性，并取得重要进展，分别通过对BN二维单晶结构中层间堆垛方式的调控，以及富边界BN大面积二维超薄膜材料的控制生长，实现了BN二维材料的高效二次谐波产生；4）深入研究了BN二维材料的“子晶格选择性”人工缺陷调制与自旋极化特性，制备出了硫（S）控制掺杂的BN纳米片层材料，并观察到其室温铁磁性，另外还还通过对BN纳米片层材料的子晶格选择性共价化学修饰，实现对其自旋特性的化学调控。