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Electron-beam-induced carbon doping of hexagonal boron nitride
Barbara Maria Mayer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Jani Kotakoski
Mitbetreuer*in
Manuel Längle
DOI
10.25365/thesis.79493
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19539.84540.145333-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein zweidimensionales Material, das in seiner Struktur Graphen ähnelt, jedoch eine große Bandlücke aufweist und anstelle von Kohlenstoffatomen abwechselnd Bor- und Stickstoffatome enthält. hBN hat großes Interesse geweckt, da bestimmte Defekte bei Raumtemperatur als Einzelphotonenemitter fungieren können. Kohlenstoffbezogene Defekte sind für Anwendungen in der Quantentechnologie besonders vielversprechend, jedoch fehlen noch zuverlässige Methoden, um sie in das Gitter einzufügen.
Diese Arbeit untersucht die durch Elektronenstrahlen induzierte Kohlenstoffdotierung in hBN. Während der Bildgebung mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) erzeugt der Elektronenstrahl Poren im Gitter und dissoziiert gleichzeitig das in die Säule eingebrachte Methan (CH$_4$). Durch die Dissoziation von CH$_4$ werden Kohlenstoffatome freigesetzt, die dann in die Poren wandern. Dieser Prozess wird durch die Aufzeichnung zeitaufgelöster Bildserien und Elementverteilungen mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) überwacht.
Die Ergebnisse zeigen, dass steigende Kohlenstoffkonzentrationen in der Säule das Porenwachstum verlangsamen und zur Bildung eines bisher nicht beschriebenen Defekts in hBN führen: elektronenstrahlinduzierte, nicht N-terminierte dreieckige Poren. Gleichzeitig ersetzen Kohlenstoffatome nach und nach Bor und Stickstoff, was zu kohlenstoffbedingten Defekten im Gitter führt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt an den Rändern bestehender kohlenstoffbedingter Defekte und fördert deren Wachstum. Wenn diese Defekte einen Durchmesser von etwa zwei Nanometern erreichen, entwickeln sich in ihrem Zentrum amorphe Kohlenstoffstrukturen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Kohlenstoffeinlagerung sehr lokal an der Strahlposition erfolgt.
Insgesamt verbessert diese Studie das Verständnis der elektronenstrahlunterstützten Kohlenstoffdotierung in hBN und liefert eine Grundlage für die Entwicklung kontrollierter Methoden zur Einführung kohlenstoffbezogener Defekte durch elektronenstrahlinduzierte Kohlenstoffabscheidung im Gitter.
Abstract
(Englisch)
Hexagonal boron nitride (hBN) is a two-dimensional material similar to graphene in structure but with a wide bandgap and alternating boron and nitrogen atoms instead of carbon. hBN has attracted significant interest because certain defects can act as single-photon emitters at room temperature. Carbon-related defects are especially promising for quantum technology applications, yet reliable methods for inserting them into the lattice are lacking.
This thesis investigates electron-beam-induced carbon doping in hBN. During imaging with a scanning transmission electron microscope (STEM), the electron beam creates pores in the lattice and simultaneously dissociates methane (CH$_4$) introduced into the column. The dissociation of CH$_4$ releases carbon atoms, which then migrate into the pores. This process is monitored by recording time-resolved image series and electron energy loss spectroscopy (EELS) elemental maps.
Results show that increasing carbon concentrations in the column slow down pore growth and lead to the formation of a previously unreported defect in hBN: electron-beam-induced non-N-terminated triangular pores. Simultaneously, carbon atoms gradually replace boron and nitrogen, resulting in carbon-related defects in the lattice. This effect is especially prominent at the edges of existing carbon-related defects, encouraging their growth. When these defects reach about two nanometers in diameter, amorphous carbon structures develop at their centers. Additionally, it was found that carbon incorporation occurs very locally at the beam position.
Overall, this study improves understanding of electron-beam-assisted carbon doping in hBN and provides a basis for developing controlled methods to introduce carbon-related defects through electron-beam-induced carbon deposition in the lattice.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Elektronenmikroskopie STEM hBN Defekt-Engineering Carbon Doping
Schlagwörter
(Englisch)
electron microscopy STEM hBN defect-engineering carbon doping
Autor*innen
Barbara Maria Mayer 
Haupttitel (Englisch)
Electron-beam-induced carbon doping of hexagonal boron nitride
Paralleltitel (Deutsch)
Elektronenstrahl-induzierte Kohlenstoffdotierung von hexagonalem Bornitrid
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
78 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jani Kotakoski
AC Nummer
AC17683685
Utheses ID
77829
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |