[論文レビュー] A bubble-induced ultrastable and robust single-photon emitter in hexagonal boron nitride

Yi‐Tao Wang, Wei Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、常温下で1年以上にわたり、点滅や光消しのない超安定な発光を示す、ヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）におけるバブル誘発の単一光子発光体（SPE）を実証した。欠陥に基づくSPEは、ヴァン・デル・ワールスバブルからの局所的ひずみによって活性化および安定化され、圧力サイクルによる可逆的光励起発光モード変調が可能であり、スケーラブルな量子ナノフォトニクスに向けた耐障害的で室温動作の量子発光源を実現した。

ABSTRACT

Quantum emitters in van der Waals (vdW) materials have attracted lots of attentions in recent years, and shown great potentials to be fabricated as quantum photonic nanodevices. Especially, the single photon emitter (SPE) in hexagonal boron nitride (hBN) emerges with the outstanding room-temperature quantum performances, whereas the ubiquitous blinking and bleaching restrict its practical applications and investigations critically. The bubble in vdW materials exhibits the stable structure and can modify the local bandgap by strains on nanoscale, which is supposed to have the ability to fix this photostability problem. Here we report a bubble-induced high-purity SPE in hBN under ambient conditions showing stable quantum-emitting performances, and no evidence of blinking and bleaching for one year. Remarkably, we observe the nontrivial successive activating and quenching dynamical process of the fluorescent defects at the SPE region under low pressures for the first time, and the robust recoverability of the SPE after turning back to the atmospheric pressure. The pressure-tuned performance indicates the SPE origins from the lattice defect isolated and activated by the local strain induced from the bubble, and sheds lights on the future high-performance quantum sources based on hBN.

研究の動機と目的

• 常温下におけるhBNベースの単一光子発光体（SPE）の点滅および光消しの重大な制限要因を克服すること。
• 2次元材料における量子発光体の安定化に寄与するヴァン・デル・ワールスバブル由来のナノスケールひずみの役割を調査すること。
• 長期的な光安定性を示し、実用的な量子フォトニクスデバイスに適した、耐障害的で高純度のSPEを実証すること。
• 外部圧力調節下における欠陥関連発光体の動的挙動を調査し、チューナブルな量子発光を実現すること。

提案手法

• ヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）に内在するバブルを活用し、ナノスケールで局所的ひずみを誘発し、バンドギャップを変化させること。
• 低圧および大気圧のサイクルを用いてSPEの光励起発光をチューニングすること。
• 共焦点マイクロスペクトロスコピーを用いて、SPEの発光安定性およびダイナミクスを長期間にわたりモニタリングすること。
• SPEがバブル構造に起因するひずみによって分離・活性化された格子欠陥に起因することを同定すること。
• 圧力調節を用いて、蛍光欠陥の可逆的活性化および消滅を調査し、動的欠陥状態遷移を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBN内のバブルは、常温下で点滅や光消しを抑制した安定な単一光子発光体を誘発できるか？
• RQ2 ヴァン・デル・ワールスバブル由来の局所的ひずみは、hBN内の欠陥の電子構造および光励起発光にどのように影響するか？
• RQ3 SPEの外部圧力に対する動的応答は何か？その発光は可逆的にチューニング可能か？
• RQ4 SPEを生成する欠陥は、バブルによって分離・活性化されたひずみ誘発格子欠陥由来であるか？
• RQ5 SPEは長期間にわたり劣化を示さずに高純度発光を維持できるか？

主な発見

• hBNにおけるバブル誘発SPEは、常温下で1年以上にわたり点滅や光消しを示さず、顕著な光安定性を示した。
• 低圧下で蛍光欠陥の非自明な逐次的活性化および消滅プロセスが観察され、動的欠陥状態調節が示された。
• 大気圧に戻した際に発光強度が完全に回復することから、ひずみチューニングによる可逆的制御が確認された。
• 圧力依存挙動により、欠陥の起源がバブル由来の局所的ひずみによって分離・活性化された格子欠陥であると確認された。
• 室温下で高純度の単一光子発光を維持でき、量子ナノフォトニクス分野における実用的応用が可能となった。