Modification of the bandgap of hexagonal BN and deep-ultraviolet luminescence dynamics of excitons in them
| Project/Area Number |
20K20993
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 和彦 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80202266)
小島 一信 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250)
嶋 紘平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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| Keywords | 窒化ボロン / 間接遷移 / 直接遷移 / 深紫外線 / 時間分解分光 |
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| Outline of Research at the Start |
六方晶層状窒化ボロン(h-BN)は、２次元ハニカム構造を層状に積み重ねた、禁制帯幅の広い半導体である。そして間接遷移型半導体でありながら室温で210～230 nmの発光を呈するため、深紫外(DUV)光源用材料として期待できる。ごく最近、単一原子層h-BNの禁制帯が直接遷移型となる事が報告されたが真偽は定かではない。
本研究では、高純度h-BN単層膜をエピタキシャル成長させ、フェムト秒パルスDUVレーザやフェムト秒パルス電子線を用いて発光寿命や拡散長等を定量化し発光機構を明らかにする。本研究が実現されれば、h-BN以外の広禁制帯幅半導体の発光機構研究や物性の理解も可能となる。
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| Outline of Final Research Achievements |
Hexagonal boron nitride (hBN) crystallizes in layers of a two-dimensional honeycomb BN structure. Since hBN exhibits high-efficiency emissions at 5.2-5.9 eV in spite of the indirect bandgap, hBN has a potential for the use in deep-ultraviolet light emitters. Recently, the presence of a direct bandgap has been reported in an isolated monolayer hBN (mBN). However, little is known about the luminescent properties of mBN. Here, temporally and spatially resolved luminescence measurements were carried out to elucidate the emission dynamics of indirect excitons (iXs) in hBN and direct excitons (dXs) in mBN epilayers. The room-temperature emission lifetimes of iXs in hBN were about 55 ps, which implies excellent radiative performance of hBN. Cathodoluminescence (CL) spectra at 13 K of mBN exhibited a distinct dX emission peak at around 6.04 eV superimposed on a broad 5.5-eV-band that originated from hBN. In addition, a CL peak at 6.035 eV that originated from graphitic BN was identified.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
hBNが間接遷移型半導体でありながら光子エネルギー約5.8 eVの高効率深紫外線(DUV)発光を呈すること、hBNを単一層まで薄くしたmBNの禁制帯が直接遷移型となり6.04 eVの発光を呈する事に加え、グラファイト状積層構造のBernal BNも直接遷移型ではないかと思われる禁制帯を持ち6.035 eVの発光を呈する事を明らかにした事は学術的意義が大きいだけでなく、BNを用いたDUV発光素子の開発に繋がり殺菌や消毒を通じて安全な水・空気・サニタリー環境の提供を通じて社会貢献できる。また、本研究に用いた自作の陰極線蛍光計測系は禁制帯幅に制限されないためBN以外の2次元材料の評価に有用である。
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Report
(4 results)
Research Products
(21 results)
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[Presentation] 陰極線励起による単層六方晶BNのバンド端発光の観測2023
Author(s)
嶋紘平, Tin S. Cheng, Christopher J. Mellor, Peter H. Benton, Christine Elias, Bernard Gil, Guillaume Cassabois, Sergei V. Novikov, 秩父重英
Organizer
第70回応用物理学会春季学術講演会
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