Characterization of Boron Nitride Nanosheets as a Semiconductor Material Using Electron Microscopy Techniques

(1)

هصخشم یبای

ن تاحفصونان دیرتی

ن هدام ناونع هبروب همی

داه ی زا هدافتسا اب

نکت کی یاه م پوکسورکی نورتکلا

ی

هدزمرس یعیفر ارهز

*1

یدمحا داوج دیس ،

2

هتسه نونف و مولع هاگشهوژپ1

یا هدکشهوژپ ، اهوترپ دربراک

هتسه نونف و مولع هاگشهوژپ2

،یا هتسه تخوس هخرچ هدکشهوژپ یا

دیکچ

:

ه

و یگژی ن همی داه ی ن تاحفصونان ندوب دیرتی

( روب BNNSs ا دربراک بجوم ) نی

نورتکلا رد داوم کی

نورتکلاوتپا و کی

م ی دوش نکت . کی یاه هصخشم یبای

انبم رب ی م پوکسورکی نورتکلا

ی ا شرتسگ بجوم یاهرازی

ن همی داه ی اپ رب هی ا نی م داوم ی ددرگ نکت . کی یاه م پوکسورکی نورتکلا

ی ازبا ناونع هب یر

اب و دنمتردق

ز دربراک هرتسگ

،دای ارب ی هصخشم یبای ن داوم صوصخ هب و داومونان همی

رورض اناسر ی

ا رد .تسا نی اناوت هلاقم یی سناتپ و لی شور یاه م پوکسورکی نورتکلا

ی روبع ی

TEM( م ،) پوکسورکی نورتکلا

ی شبور ی SEM ( م و ) پوکسورکی ن

یوری متا ی AFM ( هصخشم رد ) یبای

ن تاحفصونان تی

ر دی سررب و ثحب دروم هدش زتنس روب ی

رارق

.تسا هتفرگ

او ديلك هژ

هصخشم ،اناسر همين ،روب دیرتين ،تاحفصونان ،ینورتکلا پوکسورکيم : .یبای

Characterization of Boron Nitride Nanosheets as a Semiconductor Material Using Electron Microscopy

Techniques

Zahra Rafiei-Sarmazde¹* and Seyed Javad Ahmadi²

1Radiation ApplicationResearch School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Tehran, Iran, Email:

[email protected]

2Nuclear Fuel Cycle School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Po. Box: 14399-51113, Tehran, Iran

Abstract – The semiconductor properties of boron nitride nanosheets (BNNSs) can be applied to electronics and optoelectronics. Electron microscopy-based characterization techniques lead to the development of semiconductor devices based on these materials. Electron microscopy techniques, as a powerful tool with a wide range of applications, are essential for the characterization of nanomaterials, especially semiconductor materials. In this paper, the capability and potential of transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) techniques for characterization of synthesized boron nitride nanosheets have been discussed.

Keywords: Electron microscope, Nanosheets, Boron nitride, Semiconductor, Characterization

(2)

(3)

- 1 همدقم

ن داوم همي داه ی لد هب لي مها تي آ ن س تخاس رد اه متسي

اه ی نورتکلا یکي زا هنارای نفلت ،اه اه ی برود ،هارمه ني

اه ی د لاتيجی اه هاگتسد ات ی

نورتکلا یکي کشزپ ی اج هاگی ژولونکت یکی ار دوخ صاخ هتفای

دنا لصا لماوع . ی

مها تي ژولونکت یکی ا نی پ داوم تفرشي رس عی ك رد تيفي ارف و یاهدنی

ا زتنس نی پ و داوم تفرشي اسو لی شور و اه ی هصخشم یبای ا نی تسا داوم .[1]

تاحفصونان ن

دیرتي ( روب BNNSs ناونع هب ) کی

ن هدام همي قتسم پگ اب اناسر

5.9 eVمي ا هدرتسگ روط هب

ی فلتخم عاونا تخاس رد

هاگتسد اه ی انبم رب ی ن داوم همي اناسر ی دعب ود ی م هدافتسا(2D)

ی دوش ا .[2]

نی فس نفارگ هك هدام دي

مان هدي م ی دوش راتخاس رظن زا ی

هباشم

هدوب نفارگ و

متا یاه روبنز هنلا راتخاس رد دوجوم نبرك ی

متا طسوت یاه ن و روب نژورتي تروص هب کی م رد ناي اج نیزگی ا .تسا هدش نی

تاحفصونان

د دننامه رگی اهراتخاس ی دعب ود ی اراد ی ناکم صاوخ ،یکي

اناسر و یی ترارح ی م درف هب رصحنم ی

دشاب ا رب هولاع . نی

BNNSs اراد

ی صاوخ

مشچ یريگ ك هب تبسن ر

نب مه نوچ دناب پگ

،نهپ یب رثا ش ندوب ییايمي اپ و یرادی ترارح

،ی سكا ربارب رد تمواقم نويسادي

رون بوخ صاوخ و ی

م ی دشاب ا . نی ،صاوخ BNNSs هدام ناونع هب ار

یا ارب باذج ی سو هرتسگ رد هدافتسا یعي

مه تعنص زا نوچ

هاگتسد یاه حم رد دوجوم طي

زوپماك ،هدنسكا تی

یاه اع قی ناکم صاوخ اب یکي

اناسر و لااب یی

ترارح ی نچمه و بوخ ني

ناونع هب کی ن هدام همي اسو تخاس رد بوخ اناسر لی

نورتکلا یکي فرعم ی م ی دزاس تسد . یباي لباق هب تي سناتپ و اه لي اه ی ا نی ارب هدام ی هصخشم هب تعنص رد دربراك یبای

قد قي تسا هتسباو نآ [3-5]

.

نکت کي اه ی هصخشم یبای ن داوم همي داه ی تسد روظنم هب یباي

ف تاصخشم هب یکیزي

ن داوم همي داه ی م ماجنا ی دريگ ا . نی ارف دنی بش هي هب

اشگزمر یی لاوت ی کیDNA ناگرا مسي ز تسا هدنز اری

ا نی قمونان راتخاس کرد لماش شور ساي

رك لاتسی ینعی متا نورتکلا ،اه راتخاس ،اه

آ ن و اه

مهرب شنك آ ن حم اب اه طي ارف زا هدمآ تسد هب شناد .تسا دوخ فارطا دنی

هصخشم یبای عت رد نيي ا نی هك ا ایآ نی ن همي ارب اناسر ی رد هدافتسا

اسو لی و اب صاخ یگژی رورض ،تسا هدافتسا لباق صاخ ی

م ی امن دی . یکی ا عاونا زا نی صخشم ه یبای نکت زا هدافتسا اه کي

اه ی م یپوکسورکي ارب

ی

سررب ی راتخاس تاصخشم ی

.تسا داوم

ا رد نی زا ام هلاقم کی

ارب دمآراك شور ی

ن تاحفصونان زتنس دیرتي

درك هدافتسا روب ه

راتخاس تاصخشم سپس و ی

كرت بي اب ار هدمآ تسد هب

شور زا هدافتسا اه

ی م پوکسورکي نورتکلا

ی یروبع ینورتکلا پوکسورکيم لماش (TEM)

ديم رشن یشبور ینورتکلا پوکسورکيم ، ینا

) FESEM یمتا یورين پوکسورکيم و(

) AFM سررب( ی دومن می .

- 2 یلصا بلاطم

-1 -2 داوم

شوگ شش روب دیرتين ردوپ (hBN)

صولخ اب کرم یگدنیامن و ناتسديب ،چیردلآ تكرش زا بيترت هب ،تانبرك نژورديه موينومآ و لوناتا ،%98

صلاخ نودب داوم همه .دندش هيهت شيب یزاس

هدامآ هنوگره و رت .تفرگ رارق هدافتسا دروم یزاس

-2 -2 یزاسادج هب

hBN

BNNSs

زا یصخشم رادقم ،روب دیرتين تاحفصونان ندروآ تسدب یارب یامد اتhBN

C 1400-1000 درس یبآ لولحم کی هب تعرس هب و هدش مرگ

یواح /5 یم درس قاتا یامد ات و هدش هفاضا تانبرك نژورديه موينومآ ینزو %1 سپس .دوش

هلحرمhBN للاح زا یطولخم رد لبق لوناتا :بآ

یمجح دصرد اب 55:45

یم رارق تعاس تشه تدم هب کينوسارتلا جاوما تحت نيیاپ تردق اب کينوسارتلا مامح کی رد و هتخاس هدنكارپ .دريگ

تعرس اب ییاهن لولحم 3000rpm

تدم هب 20min

.دنوش یزاسادج دوخ نزو ساسا رب گرزب تارذ ات هدش ژويفیرتناس لولحم یلااب موس ود

ندروآ تسد هب روظنم هب و هدش یروآ عمج تپيپ اب ،تسا تارذونان یواح هك BNNSs

هرفح هزادنا اب زلولس تاتسا ای تارتين یاشغ زا ، µm

/22 یم هدافتسا ندرك فاص یارب0 یامد رد تیاهن رد و دوش

تدم هب هجرد100 یم کشخ تعاس24

.دوش

(4)

3 2- یبای هصخشم -

ضح یسررب یارب فيط زا یژرنا پگ ندروا تسد هب و تاحفصونان یزاسادج یور یروآرف طیارش ريثات ،تاحفصونان رو

شفنبارف بذج یجنس

یم هدافتسا لکش( دوش

نآ تلع هب .)1 همين کی روب دیرتين هك

یم نهپ یژرنا پگ اب اناسر جوم لوط رد ار یوق بذج کی اهنت هدام نیا ،دشاب

یاه

یم ناشن کچوك بذج فيط .دهد

BNNSs جوم لوط رد

204nm eV ( /08 یم هدهاشم )6 روب دیرتين راتخاس یتاذ جييهت هب طوبرم هك دوش

شهوژپ ریاس رد هدش شرازگ جیاتن اب هك تسا تسا قبطنم نيشيپ یاه

[6-7]

رد هناش کيپ ود یاراد هدوت روب دیرتين لاح نیا اب . و4

7eV 5/

گ یژرنا هب طوبرم یلوا هك تسا همين ناونع هب روب دیرتين پ

پگ یاناسر -

صقن هب یمود و ميقتسم یصلاخان و یلاخ یاج یاه

یم طوبرم اه .دوش

یم ناشن ،یژرنا دناب یبآ ییاجباج کچوك تاحفص هب و هدش ادج مه زا روب دیرتين تاحفص هك دهد

کزان و رت تسا هدش لیدبت رت .[8]

( لکش دیرتین تاحفصونان یرون بذج فیط )1 ناونع هب بآ و )پچ( روب دیرتین تاحفصونان یقاحلا ریوصت( .یبیکرت یژتارتسا زا لصاح روب

)رزیل رون ضرعم رد )تسار( عجرم

مهرب زا یشان ،پگ شیازفا هجيتن رد و ینورتکلا یاهدناب یگدنكارپ شهاك هیلا نيب شنك

گرزب پگ دناب .تسا اه رد روب دیرتين تاحفصونان رت

هدوت اب هسیاقم یم ناشن نآ

مهرب چيه هك دهد هیلا نيب هجوت لباق شنك

نیا زا .درادن دوجو یا شيپ پگ دناب یژرنا هب رادقم نیا ،ور

هدش ینيب

( یروئت تابساحم طسوت 0eV

6/ تسا کیدزن ) هیلا دادعت و هدش ادج مه زا ًلاماك روب دیرتين تاحفص هك تسا نآ هدنهد ناشن هك[9]

نآ یاه

اب هسیاقم رد مك رايسب هدوت روب دیرتين

.تسا هداد خر ،هتفر راك هب یژتارتسا لوط رد یزاسادج دنیارف اذل و هدوب رت

یم هدافتسا یپوکسورکيم یاه کينکت زا تاحفصونان یژولوفروم یسررب یارب نويسناپسوس یور یروبع ینورتکلا پوکسورکيم زيلانآ .دوش

یدعب ود تاحفص ،روب دیرتين تاحفصونان یواح یم ناشن ار یكزان

لکش( دهد هب تاحفصونان نیا تماخض هك تسا نآ هدنهد ناشن ریواصت .)2

مشچ روط نآ رثكا اریز هتفای شهاك یريگ یم ناشن ار ینيیاپ تسارتنك اه

نآ زا یدادعت و دهد رانك رد .دنتسه فافش ینورتکلا وترپ هب تبسن اه

لوط رد هدش لامعا یکيناکم یورين ليلد هب ،تماخض شوماخ

هب هدوت روب دیرتين اب هسیاقم رد تاحفصونان یبناج داعبا ،توصارف جاوما و یزاس

مك تاحفصونان نیا رثكا یبناج داعبا .تسا هتفای شهاك یسوسحم روط زا رت

3µm ریوصت رد زين گرزب تاحفص یدادعت هاگ هك یلاح رد تسا

یروبع ینورتکلا پوکسورکيم یم هدید زين

مه .دوش ات نينچ یزاسادج نيح رد تاحفص یگدروخرف و لکش رييغت هدنهد ناشن تاحفص یگدروخ

.تسا

( لکش ریوصت )2 یروبع ینورتکلا پوکسورکیم مه یور رب هتفرگ رارق روب دیرتین هحفصونان دنچ زا

لکش( روب دیرتين تاحفصونان یزاسادج هجرد هعلاطم یارب یناديم رشن یشبور ینورتکلا پوکسورکيم ا رد .)3

هيلوا ردوپ یسانش تخیر ادتب

یم هك تفرگ رارق یسررب دروم یبناج داعبا اب ار روب دیرتين تاحفص ناوت

ات1 µm یترارح شنت یط رد اهدنويپ ندش فيعض اب .دومن هدهاشم5

مهرب زا هدافتسا اب و شنك

لوکلم هیلا تسا رداق هتفر راك هب یژتارتسا ،روب دیرتين تاحفص حطس و للاح یاه هب .دنك زاب مه زا ار روب دیرتين یاه

(5)

فيعض یرون تسارتنك یاراد هدوت روب دیرتين هب تبسن تاحفصونان ریوصت ،نآ قیاع یکیرتکلا صاوخ و تاحفصونان ندوب کزان ليلد یم یرت

دشاب

هدودحم رد هدمآ تسدب یبناج داعبا .[10]

500nm ات µ 3m یمن ار نآ تماخض اما تسا قيقد روط هب ناوت

ریوصت اب ینورتکلا پوکسورکيم

یشبور .دروآ تسدب

( لکش ( یشبور ینورتکلا پوکسورکیم ریوصت )3 ( روب دیرتین هیلوا ردوپ )a

گرزب( هدمآ تسدب تاحفصونان )b ییامن

15k )

هیلا داوم تماخض و حطس تيهام نييعت یارب نآ هب طوبرم لیافورپ و یمتا یورين پوکسورکيم هدافتسا دروم یا

یم رارق یبناج داعبا .دريگ

زا هدافتسا اب هدمآ تسدب تاحفصونان رثكا یمتا یورين پوکسورکيم

یم نييعت رتمورکيم دنچ ات رتمونان دص دنچ نيب لکش( دوش

جیاتن اب هك )4

زا هدمآ تسدب یشبور ینورتکلا پوکسورکيم

مه یروبع و اظ عافترا و یربز نييعت یارب طخ لیافورپ زا .دراد یناوخ

رتسب هب تبسن تاحفص یره

یم هدافتسا لکش( ددرگ

.)7

( لکش ( یفارگوپوت ریوصت )4 1µm

 1µm ) یمتا یورین پوکسورکیم ( اکیم رتسب یور هحفصونان کی هدنهد ناشن ،

رد عافترا لیافورپ )b

طوطخ یاتسار و1

تماخض هدنهد ناشن2 5 یاه

1/ nm و /6 .1

نومزآ یانبم رب تا یورين پوکسورکيم

یم نآ عافترا و هدوب فاص ًاتبسن تاحفص نیا حطس ،تاحفصونان نیا زا یدایز دادعت یور زا رتمك اه

2nm نآ زا .تسا هیلا نيب یاضف هك ییاج

دودح روب دیرتين یاه 33nm

0/ یم راظتنا تسا نيب هك دور

ات4 تماخض نیا رد روب دیرتين هیلا6

ليلد هب لاح نیا اب .دنشاب هتشاد دوجو هحفص توافتم تيهام

مه و رتسب و اه یرادقم نداتفاريگ و هدافتسا دروم یزاسادج شور ليلد هب نينچ

دودح هك دراد دوجو تماخض نييعت رد تحص مدع یرادقم ،رتسب و تاحفصونان نيب للاح 1nm

یم هتفرگ رظن رد [10] دوش

نیا زا شيپ ور ینيب

یم یلا هس ات ود دودح فرعم تماخض نیا رد دوش .دشاب روب دیرتين ه

کينکت زا هدمآ تسدب جیاتن یاه

یروبع ینورتکلا پوکسورکيم یم ناشن یمتا یورين پوکسورکيم و یشبور ،

دیرتين رثوم یزاسادج هك دهد

.تسا هدش ماجنا یزيمآ تيقفوم روط هب ،لوبق لباق تماخض اب دیرتين تاحفصونان هب هدوت روب -1 هجيتن

شور اه ی هصخشم TEMیبای

SEM و م ناشن حضاو روط هب ی

دهد ز دادعت لماش هنومن ره هك یدای

ن تاحفصونان زا دیرتي

ك اب روب تيفي .تسا لااب

فافش تي ك هب طوبرم لااب تيفي

لااب ی اهراتخاس ی رولب نی ا نی بناج داعبا .تسا تاحفصونان ی

زا هدافتسا اب هدمآ تسدب وSEM

هدودحم ردTEM

500nm µm ات نآ تماخض اما تسا3 من ار

ی ناوت قد روط هب قي ا اب نی نکت ود کي زا هدافتسا .دروآ تسدب ات رب هولاعAFM

ديی اتن جی هب

نکت ود زا هدمآ تسد کي

پ

،نيشي م ناشن ی دهد اهراتخاس هك ی

اراد هدش زتنس ی

سب تماخض راي

مك ی ز هدودحم رد ری

2nm شور و دنتسه

لا رد هدش هدافتسا هی

رادرب ی لماك ن دیرتي .تسا هدوب قفوم شوگ شش روب زا هدافتسا

نکت کي اه ی هصخشم یبای ن داوم مهم صاوخ کرد رد همي

اناسر یی مه ن تاحفصونان نوچ دیرتي

کولب ناونع هب روب اه

ی سب هدنزاس یراي اسو زا لی نورتکلا یکي نورتکلاوتپا و کي

دنمدوس

، رورض ی .تسا

عجارم

[1] Semiconductor Characterization Techniques. In: Fundamentals of Solid-State Engineering. Springer, Boston, MA, 2006.

[2] J. Yu, L. Qin, Y. Hao, S. Kuang, X. Bai, Y. M. Chong, et al., "Vertically aligned boron nitride nanosheets: Chemical vapor synthesis, ultraviolet light emission, and superhydrophobicity," ACS Nano, vol. 4, pp. 414-422, 2010.

(6)

[3] L. Song, L. Ci, H. Lu, P. B. Sorokin, C. Jin, J. Ni, et al., "Large scale growth and characterization of atomic hexagonal boron nitride layers," Nano Letters, vol. 10, pp.

3209-3215, 2010.

[4] [4] Y. Shi, C. Hamsen, K. K. Kim, A. Reina, M. Hofmann, et al., "Synthesis of few- layer hexagonal boron nitride thin film by chemical vapor deposition," Nano Letters, vol. 10, pp. 4134-4139, 2010.

[5] H. Şahin, S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Bekaroglu, E. Akturk, R. T. Senger, et al.,

"Monolayer honeycomb structures of group-IV elements and III-V binary compounds: First- principles calculations," Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, vol. 80, pp. 155453-155464, 2009.

[6] J. N. Coleman, M. Lotya, A. O'Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, et al., "Two- dimensional nanosheets produced by liquid exfoliation of layered materials," Science, vol. 331, pp. 568-571, 2011

[7] Y. Lin, T. V. Williams, T. B. Xu, W. Cao, H. E. Elsayed-Ali, and J. W. Connell, "Aqueous dispersions of few-layered and monolayered hexagonal boron nitride nanosheets from sonication-assisted hydrolysis: Critical role of water," Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, pp. 2679-2685, 2011.

[8] K. Watanabe, T. Taniguchi, and H. Kanda, "Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal," Natural Materials, vol.

3, pp. 404-409, 2004.

[9] X. Blase, A. Rubio, S. G. Louie, and M. L. Cohen, "Quasiparticle band structure of bulk hexagonal boron nitride and related systems," Physical Review B, vol. 51, pp.

6868-6875, 1995.

Y. Lin, T. V. Williams, and J. W. Connell, "Soluble, exfoliated hexagonal boron nitride nanosheets," Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 1, pp. 277-283, 2010.