Heterostruktury van der Waalsa grafen/h-BN/grafen jako kandydat do optoelektroniki w głębokim ultrafiolecie

Heksagonalny azotek boru (h-BN) jest ważnym członkiem rodziny materiałów 2D, intensywnie badany ze względu na doskonałą stabilność chemiczną, przewodnictwo cieplne oraz właściwości optoelektroniczne. Jest on szeroko stosowany w heterostrukturach van der Waalsa jako materiał enkapsulujący lub bariery tunelowe. Jego szeroka przerwa energetyczna (~6 eV) czyni go dobrym kandydatem do zastosowania w optoelektronice głębokiego UV, jednak ograniczeniem jest brak omowych kontaktów elektrycznych oraz trudność w skalowalnym wzroście warstw o wysokiej jakości. Niedawno zaprezentowane zostało nowatorskie podejście do zastosowania h-BN w heterostrukturach. Użyto grafenu jako kontaktów elektrycznych, osiągając efektywną elektroluminescencję (EL) w zakresie UV dzięki zjawisku tunelowania rezonansowego oraz tunelowania pasmo-pasmo elektronów i dziur z warstwy grafenu do stanów bliskich krawędzi pasm oraz stanów defektowych w przerwie energetycznej h-BN. W niniejszej pracy zbadano to podejście do wykorzystania h-BN jako materiału optycznie aktywnego w heterostrukturach van der Waalsa. Celem pracy było wytworzenie heterostruktur grafen/h-BN/grafen z wykorzystaniem epitaksjalnego azotku boru, hodowanego na Wydziale Fizyki UW przy użyciu MOVPE. Zbadano struktury wytworzone wcześniej przez mgr Katarzynę Ludwiczak, z wykorzystaniem grafenu hodowanego na miedzi, o szerokości około 2 mm. Pomiary rezystancji oraz pomiary elektroluminescencji ujawniły zwarcia elektryczne w próbkach, wynikające ze styku górnych i dolnych warstw grafenu. Podjęto próbę izolacji obszarów bez zwarcia ręcznym drapaniem kanałów izolujących, jednak bez zadowalających efektów. Wykonano również dwie struktury o mniejszych rozmiarach (ok. 40 μm szerokości). W celu ułatwienia pomiarów elektrycznych, na płytkach krzemowych przygotowano ścieżki przewodzące przy użyciu litografii bezmaskowej i napylania jonowego. Heterostruktury zostały wytworzone poprzez mechaniczną eksfoliację warstw h-BN/szafir, BN:C/szafir oraz płatków grafitu. Przetestowano kilka metod transferu płatków, a konstrukcję struktur przeprowadzono metodą suchego stempla. Następnie struktury te były charakteryzowane przy użyciu metod optycznych, spektroskopii elektroluminescencyjnej oraz pomiarów elektrycznych. Otrzymane wyniki wskazują na duży potencjał epitaksjalnego azotku boru w strukturach tunelowych, pokrywają się one również z danymi literaturowymi. Nowym efektem, zaobserwowanym w próbkach jest znaczna fotoczułość, wskazująca na możliwe zastosowanie opisanych urządzeń jako wydajne fotodetektory w zakresie światła widzialnego.

Hexagonal boron nitride (h-BN) is a prominent member of the 2-D materials family and continues to be widely researched for its excellent chemical stability, thermal conductivity and optoelectronic properties. It is extensively used in van der Waals heterostructures as encapsulation material or tunneling barriers. Its wide bandgap (~6 eV) makes it a good candidate for the use in deep UV optoelectronics, however it is limited by a lack of ohmic electrical contacts and difficulty in scalable, high-quality layer growth. Recently, a novel approach to h-BN use in heterostructures was presented. Graphene was used as electrical contact for the material, achieving efficient electroluminescence (EL) in the UV region by resonant and band-to-band tunneling of electrons and holes from the graphene layer onto near band edge states and defect states within the h-BN bandgap. In this work, we explore this approach of using h-BN as the optically active material in van der Waals heterostructures. The aim of the thesis is to manufacture graphene/h-BN/graphene heterostructures using epitaxial boron nitride, grown in our group using MOVPE. We studied larger-scale structures manufactured before by Katarzyna Ludwiczak, using graphene exfoliated from copper, around 2 mm in width. However, resistivity measurements, performed using a wafer probe system, and electroluminescence measurements exposed electrical shorting in the samples, stemming from the contact of top and bottom graphene layers. I have attempted to isolate areas without shorting by manually etching separating ‘canals’, but further EL measurements showed no improvement. We obtained and measured smaller-scale samples. To facilitate electrical measurements, we have prepared Au/Ti conductive paths on silicon wafers using maskless photolithography and ion sputtering. The heterostructures were manufactured using mechanical exfoliation of h-BN/sapphire layers and graphite flakes. Subsequent flake transfer and alignment was performed using the dry stamp technique. Additional tests of the method attempting the transfer first directly onto the PDMS lens and onto a polycarbonate tape covering the lens were also performed. The obtained structures were ~40 μm in width. The structures were then studied using electroluminescence and electrical measurements as well as optical spectroscopy. The obtained results show great potential of using epitaxial boron nitride as active layer in tunneling structures, and are in agreement with results shown in literature. A new effect observed in the samples is significant photosensitivity, pointing towards possible applications as efficient visible light photodetectors.