2022 Fiscal Year Final Research Report

Synthesis of high quality single crystals for sience of Boron Nitride

Research Project

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Project/Area Number	20H00354
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	TANIGUCHI Takashi 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 拠点長 (80354413)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	町田友樹東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00376633) 山田貴壽国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (30306500) 小島一信大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30534250) 宮川仁国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (40552667) 秩父重英東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80266907)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	六方晶窒化ホウ素 / 高圧合成 / 遠紫外線発光 / 反応性溶媒
Outline of Final Research Achievements	We optimized the crystal growth solvent and obtained high-quality hexagonal boron nitride (hBN) single crystals with a residual carbon impurity concentration of several 10 ppb level (EPR evaluation) under high pressure. There is a strong correlation between the far-ultraviolet luminescence efficiency of the high-purity crystal and the amount of residual carbon impurities, and we obtained a rough estimate of the external quantum efficiency of the high-quality crystal of about 3%. It was found that although hBN is an indirect transition emiconductor, it is easy to emit light due to the presence of many phonons that match the momentum change required for luminescence and the existence of a flat energy band region. Furthermore, K-doped hBN was obtained using an aqueous potassium hydroxide solution by an electrochemical method. In addition, collaboration with domestic and foreign institutions as an insulating substrate for two-dimensional atomic layer devices was also promoted.
Free Research Field	高圧力材料科学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	窒化ホウ素（BN）は炭素と類似の結晶構造を有し、黒鉛型の六方晶(hBN)は耐熱材料、絶縁材料等として産業応用されている。本研究では高純度化のレベルをppb領域にまで引き上げたhBN結晶の高品位化とその遠紫外線発光素子の高効率化を見いだした。hBNへのドーピングによる半導体化は最大の課題であるが、電気化学的手法による水酸化カリウム水溶液を用いて、K添加hBNの合成に成功した。半導体特性評価のため、電界効果トランジスタ構造によるよる評価手法の確立が課題である。本課題により、2次元原子層デバイス基盤としての活用も含め、hBNの新たな半導体材料として基礎の確立に向けた成果を得ることが出来た。