类型a：这篇文档报告了一项原创研究。
主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括王高凯（Gaokai Wang）、孟俊华（Junhua Meng）和张兴旺（Xingwang Zhang），他们分别来自中国科学院半导体材料科学重点实验室、北京工业大学以及中国科学院大学等机构。该研究于2022年11月4日发表在《Crystal Growth & Design》期刊上。
学术背景
这项研究属于二维材料和宽禁带半导体领域，特别是六方氮化硼（h-BN）薄膜的外延生长及其在光电子器件中的应用。六方氮化硼因其优异的物理化学性质，如原子级光滑表面、良好的热稳定性和化学稳定性、高击穿场强和低介电常数，成为一种极具潜力的材料，可用于其他二维材料的衬底、场效应晶体管的栅极绝缘层或隧道势垒，以及二维异质结的封装层。此外，尽管h-BN是一种间接带隙半导体，它仍能产生强烈的声子辅助深紫外（DUV）发光，并表现出高吸收系数和高透射率，因此适合用于制造DUV光电探测器。然而，直接在介电衬底上生长高质量的h-BN薄膜一直是一个挑战，因为需要极高的衬底温度（>1350°C），而这一温度超出了许多商业系统的承受范围。因此，研究团队希望通过高温退火的方法，在较低温度下获得高质量的h-BN薄膜。
详细研究流程
本研究主要包括以下几个步骤：
1. h-BN薄膜的制备：采用脉冲激光沉积（PLD）技术在蓝宝石衬底上沉积h-BN薄膜。实验中使用了波长为248 nm的准分子激光器，优化参数包括重复频率5 Hz、脉冲持续时间20 ns、脉冲能量500 mJ。沉积过程在24 mTorr的氮气气氛中进行，时间为20分钟。
2. 高温退火处理：将制备的非晶态h-BN薄膜在1400-1700°C的温度范围内退火60-240分钟。为了防止分解，退火过程中用另一块裸露的蓝宝石晶圆覆盖样品。退火气氛为氩气或氮气，压力约为1 atm。
3. 表征方法：通过多种技术手段对退火前后的h-BN薄膜进行表征。包括拉曼光谱（Raman Spectroscopy）、X射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis Absorption Spectroscopy）和阴极发光光谱（CL）。
4. 光电探测器的制备与测试：基于退火后的h-BN薄膜制备DUV光电探测器，并测试其光电性能，包括电流-电压特性（I-V曲线）、光响应度（Responsivity）和比探测率（Specific Detectivity）。
研究中使用了密度泛函理论（DFT）计算h-BN的电子能带结构，并采用了Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP)软件包进行模拟。实验设备包括Bruker D8 Advance X射线衍射仪、FEI Talos F200X透射电子显微镜和Horiba IHR550光谱仪等。
主要结果
1. 拉曼光谱与XRD分析：退火后，h-BN薄膜的拉曼特征峰显著增强，半高宽（FWHM）从41 cm⁻¹降至19 cm⁻¹，表明结晶质量显著提高。XRD结果显示，退火后出现了对应于h-BN（0002）和（0004）晶面的衍射峰，进一步证实了薄膜的高结晶度。
2. FTIR与UV-Vis分析：FTIR光谱显示，退火后e-BN相消失，h-BN的E₁u振动模式变窄，表明发生了从e-BN到h-BN的相变。UV-Vis吸收光谱表明，退火前后薄膜的光学带隙均为约5.82 eV，与理论计算值接近。
3. HRTEM与界面分析：HRTEM图像显示，退火后的h-BN薄膜具有清晰的层状结构，厚度为31 nm。快速傅里叶变换（FFT）分析揭示了h-BN与蓝宝石之间的外延关系：h-BN（0001）[11̅00]//蓝宝石（0001）[11̅00]。
4. 光电性能测试：基于退火h-BN薄膜制备的DUV光电探测器表现出优异性能，包括高达5 mA W⁻¹的光响应度、超过10⁴的开关比和良好的稳定性。
结论与意义
本研究表明，高温退火是一种简单而有效的策略，可以在介电衬底上获得高质量的h-BN薄膜。退火后的h-BN薄膜不仅具有高结晶度，还表现出优异的光学和电学性能，适合用于光电子器件。这些发现为未来开发高性能DUV光电探测器和其他光电子器件提供了重要参考。
研究亮点
1. 首次通过高温退火在蓝宝石衬底上获得了高质量的h-BN薄膜，其拉曼特征峰的半高宽仅为18 cm⁻¹，优于现有文献报道的结果。
2. 揭示了h-BN与蓝宝石之间的外延关系，为理解h-BN的生长机制提供了新视角。
3. 基于退火h-BN薄膜制备的DUV光电探测器表现出优异性能，展示了其在光电子领域的巨大潜力。
其他有价值的内容
研究团队还探讨了退火条件（如温度和时间）对h-BN薄膜结晶质量的影响，发现最佳退火条件为1600°C、60分钟、氩气气氛。此外，研究中使用的多种表征手段和理论计算为后续相关研究提供了参考。