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本研究由T.V. Perevalov、V.A. Gritsenko、A.V. Bukhtiyarov和I.P. Prosvirin共同完成。研究机构包括俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体物理研究所（Rzhanov Institute of Semiconductor Physics）、俄罗斯科学院西伯利亚分院催化研究所（Boreskov Institute of Catalysis）以及新西伯利亚国立技术大学（Novosibirsk State Technical University）。该研究发表于《Physics of the Solid State》2022年第64卷第7期。
本研究聚焦于六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）中空位型缺陷的电子结构。h-BN是一种二维材料，具有类似于石墨的层状晶体结构，由于其宽禁带（5.5-5.95 eV）、高电阻率（10^12-10^14 Ω·cm）、耐热性、无毒性、化学惰性以及在整个频率范围内稳定的介电特性，被认为是微电子器件中理想的介质材料。然而，h-BN的电气性能受缺陷的影响很大，这些缺陷可能导致带隙中形成能级，从而增加漏电流并降低器件性能。因此，了解h-BN中本征缺陷的原子和电子结构对微电子器件的制造至关重要。本研究旨在通过X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）和密度泛函理论（density functional theory, DFT）模拟，研究h-BN中空位型缺陷的原子和电子结构。
样品制备与表征
多层h-BN样品通过化学气相沉积法（CVD）在20微米厚的铜箔上生长，厚度约为7纳米。样品的XPS测量在德国柏林BESSY II同步辐射研究中心的RGBL站进行，记录了B1s、N1s、C1s和O1s的光电子能谱，以及价带光谱。光电子动能分别为300 eV和600 eV，使用C1s谱线（结合能为284.8 eV）校准结合能。
氩离子轰击实验
样品表面使用IQE-11/35离子枪进行氩离子轰击，加速电压为1.25 kV，电流密度为3-4 μA/cm²，轰击时间分别为5分钟和50分钟。轰击后，再次进行XPS测量，分析样品表面的元素组成和化学态变化。
量子化学模拟
使用Quantum ESPRESSO软件包进行DFT模拟，研究h-BN中硼空位（V_B）、氮空位（VN）和硼-氮双空位（V{BN}）的原子和电子结构。模拟采用PBE-SOL交换关联泛函进行结构弛豫，使用HSE混合泛函计算电子结构。模拟基于不同大小的超胞（48、72和200原子），计算了缺陷的形成能和电子态密度。
XPS分析结果
XPS光谱显示，轰击后B1s和N1s谱线展宽，表明近表层结构无序化，缺陷浓度增加。硼-氮双空位（V_{BN}）是主要缺陷类型，其浓度随轰击时间增加而增加。轰击还导致碳和氧含量的减少，表明表面污染物被部分去除。
量子化学模拟结果
模拟表明，硼-氮双空位的形成能显著低于单独的硼空位和氮空位，且其形成能接近氮空位的形成能。硼-氮双空位在h-BN中是更稳定的缺陷类型，且其电子结构显示其在带隙中形成填满的能级，表明其可能参与电荷局域化和输运过程。
带隙变化
轰击后，h-BN的带隙略有减小，从初始的5.4 eV降至5.2 eV（50分钟轰击后）。这种变化与硼-氮双空位浓度的增加以及价带边缘向带隙的展宽有关。
研究表明，氩离子轰击不仅能清洁h-BN表面，还能在近表层生成高浓度的本征空位型缺陷，尤其是硼-氮双空位。硼-氮双空位的形成能较低，且在h-BN中具有稳定的电子结构，可能参与电荷局域化和漏电流的形成。该研究为理解h-BN中缺陷的原子和电子结构提供了重要见解，对基于h-BN的微电子器件的设计和优化具有重要价值。
重要发现
硼-氮双空位是h-BN中主要的空位型缺陷，其形成能低且电子结构稳定，可能对h-BN的电气性能产生显著影响。
方法新颖性
结合XPS实验和DFT模拟，系统地研究了h-BN中空位型缺陷的原子和电子结构，为缺陷分析提供了全面的方法。
研究对象的特殊性
h-BN作为一种重要的二维介质材料，其缺陷研究对微电子器件的性能优化具有重要意义。
本研究的实验和模拟结果一致，验证了硼-氮双空位在h-BN中的主导地位。此外，研究还提供了通过氩离子轰击调控h-BN缺陷浓度的方法，为未来相关研究提供了实验基础。