研究背景

作为一种绝缘材料，六方氮化硼（hBN）在二维（2D）电子器件和量子技术中被广泛应用于封装石墨烯和其他二维材料，形成高性能的范德瓦尔斯异质结构。这种材料以其高纯度和优异的晶体质量闻名，能够大幅提升载流子传输性能。然而，尽管hBN具有低缺陷密度，但其中的本征缺陷仍会限制2D晶体管和其他电子器件的性能。特别是，hBN中的缺陷会对载流子散射、器件稳定性以及量子效应产生重要影响。因此，表征并了解这些缺陷的特性，尤其是它们的充放电动力学，对于改进2D电子设备的性能至关重要。此外，hBN中的某些缺陷还可以应用于随机数生成器和单光子发射器等器件，进一步提升其在量子技术中的潜力。因此，本研究旨在利用低频噪声光谱技术和密度泛函理论计算，深入探究hBN中的缺陷特性，以推动这一领域的前沿发展。

研究亮点

该研究的主要目标是揭示六方氮化硼（hBN）中缺陷的电学表征，这些缺陷在二维电子设备和量子设备中具有重要影响。通过对MoS₂场效应晶体管（FET）进行低频噪声（Low-Frequency Noise, LFN）光谱研究，团队观察到了低温下设备中的随机电报信号噪声（Random Telegraph Signal, RTS）。研究表明，RTS来自于hBN中的单一陷阱，且通过多空间密度泛函理论（MS-DFT）计算，研究确定这些陷阱可能与取代硼原子位点的碳原子有关。

图1 | All-vdW MoS2场效应晶体管。

研究表明，结合LFN光谱与MS-DFT分析，可以有效识别hBN单晶中的原子缺陷，这为二维电子和量子设备的进一步发展提供了可能性。论文的关键创新在于展示了这种技术在大尺寸低无序设备中对缺陷进行表征的能力，特别是对碳缺陷的发现。

• 观察到的随机电报信号（RTS）：在hBN包覆的MoS₂场效应晶体管中，首次在大尺寸设备（100 μm²）下观察到了RTS信号，表明设备中的单一缺陷在低温下的电荷捕获与释放行为。

图2 | 观察到的随机电报信号。

• 缺陷的来源：通过低频噪声（LFN）光谱分析和多空间密度泛函理论（MS-DFT）计算，确定hBN中的缺陷来源于硼位点被碳原子取代（CB缺陷），这是RTS的主要来源。

• 低无序设备的优势：该研究表明，在低无序的全范德瓦尔斯异质结构中，RTS可以在大面积器件中检测到，这突破了以往只能在小尺寸设备中观测到RTS的限制。

• 温度与电压依赖性：研究发现，RTS的出现与温度和栅极偏置密切相关，且通过调节栅极电压，可以有效探测缺陷的能级分布。

图3 | 温度与电压依赖性分析。

• 理论计算验证：多空间密度泛函理论（MS-DFT）计算验证了实验结果，并支持碳取代硼位点（CB）是RTS的可能原子缺陷。

这些结果为进一步理解hBN中的原子缺陷，材料改良及其对二维材料设备性能的影响提供了重要的基础。

图4 | 理论计算验证。

原文链接：

Huang et al, Characterizing Defects Inside HexagonalBoron Nitride Using Random TelegraphSignals in van der Waals 2D Transistors, ACS Nano, 2024.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06929

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