title: Selective defect creation in 2D hexagonal boron nitride via low-energy Ar+ irradiation
Creators: name: Chokappa, Shrirang
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Punktdefekte in hexagonalem Bornitrid (hBN) haben zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie als Quellen für die Emission einzelner Photonen dienen. Diese sind relevant für potenzielle Anwendungen in den Bereichen Quantenkommunikation, Quanteninformation und Quantensimulationen sowie in der Photonik. Dadurch kommt die Frage auf, ob die Defektbildung in hBN kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir die Möglichkeit, selektiv eine Art von Defekten zu erzeugen, konkret einzelne Bor oder Stickstoff Leerstellen, doppelte, mehrfache oder komplexe Leerstellen. Dafür transferieren wir einschichtige hBN-Proben mit Hilfe einer elektrochemischen Delaminierungsmethode von Kupferfolien auf Elektronenmikroskopie-Gitter, und unterziehen sie dann niederenergetischer Ar+ Bestrahlung. Die resultierenden Defektstrukturen werden mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (RTEM) abgebildet. Die Bestrahlung wurde mithilfe niedrigenergetischer Argon-Ionen mit unterschiedlichen Energieverteilungen durchgeführt. Unter Verwendung eines Ultrahochvakuumsystems, konnten die Bestrahlungseffekte direkt mittels RTEM abgebildet werden, ohne die Proben Luft auszusetzen. Die RTEM-Bildaufnahme wurde halbautonom durchgeführt, um hunderte von Bildern von hBN vor und nach der Bestrahlung aufzunehmen. Die Daten vor der Bestrahlung wurden verwendet, um die intrinsische Defektkonzentration zu ermitteln und die Daten nach der Bestrahlung wurden zur Analyse der durch die Bestrahlung verursachten Defekttypen und -konzentrationen für die jeweilige Energie verwendet. Die intrinsische Defektkonzentration lag bei 0,0601 ± 0,0094 nm-2 mit 43,54 ± 9,40 % einfache Leerstellen (55,01 ± 4,93 % VB und 44,99 ± 4,93 % VN ), 37,40 ± 8,93 % doppelte Leerstellen und der Rest sind komplexere Leerstellenstrukturen. Die ioneninduzierte Defektkonzentration betrug 0,2401 ± 0,0478 nm-2 . Da die Ergebnisse für verschiedene Energieprofile ähnlich waren, wurde ein gewichteter Mittelwert für alle gültigen Datenpunkte berechnet, welcher 65,10 ± 6,57 % für einzelne Leerstellen mit 89,87 ± 4,57 % VB und für 10,13 ± 4,57 % VN , 26,52 ± 4,73 % für doppelte Leerstellen beträgt, der Rest sind komplexere Strukturen. Insgesamt zeigt diese Arbeit die Möglichkeit der selektiven Erzeugung bestimmter Leerstellen in hBN durch Ar+ Bestrahlung, in erster Linie Bor-Einfachleerstellen. Allerdings muss der genaue Leerstellenbildungsmechanismus noch verstanden werden, da die experimentellen Ergebnisse den Vorhersagen aus atomistischen Simulationen widersprechen.
description: Point defects in hexagonal boron nitride (hBN) have received increasing attention for being an excellent host for single photon emitters (SPE). SPEs are a growing research area that have potential applications in quantum communications, quantum information and quantum simulations, as well as photonics. This raises the question of whether defect creation in hBN can be controlled. Here, we explore the possibility of selectively creating one type of vacancy, either single boron or nitrogen, double or more complex vacancies, in two-dimensional monolayer hBN. We successfully prepare monolayer hBN samples using an electrochemical delamination method for transfer from copper foil to electron microscopy grids, and then subject them to low-energy Ar+ irradiation. The resulting defect structures are imaged via scanning transmission electron microscopy (STEM). Low-energy argon ions with different energy profiles were used for the irradiations. Using an interconnected ultra-high vacuum system, the irradiation effects could be directly imaged via STEM without exposing the samples to ambient conditions. Semi-autonomous STEM image acquisition was performed to acquire hundreds of images of hBN before and after irradiation. Pre-irradiation data was used to assess the intrinsic defect concentration and post-irradiation data was used to analyse the irradiation induced vacancy types and concentration for each of the energies. The intrinsic defect concentration was found to be 0.0601 ± 0.0094 nm-2 with 43.54 ± 9.40 % single vacancies (55.01 ± 4.93 % VB and 44.99 ± 4.93 % VN ), 37.40 ± 8.93 % double vacancies and the rest being more complex vacancy structures. The ion-induced defect concentration was found to be 0.2401 ± 0.0478 nm-2 . Since the results from the different energy profiles were similar, a weighted mean was calculated for all the valid data points and shows 65.10 ± 6.57 % single vacancies with 89.87 ± 4.57 % VB and 10.13 ± 4.57 % VN , 26.52 ± 4.73 % double vacancies with the rest being more complex structures. Overall, this work showcases the possibility of selectively creating one type of vacancy, primarily boron single vacancies, in hBN via Ar+ irradiation. However, the underlying mechanism behind the vacancy creation is yet to be understood, since the experimental results contradict predictions based on atomistic simulations.