[論文レビュー] Bottom up engineering of near-identical quantum emitters in atomically thin materials

Noah Mendelson, Zai‐Quan Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、大面積で数層の六方晶窒化ホウ素（hBN）をボトムアップで化学蒸着法（CVD）で成長させ、高密度でほぼ同一の単一光子発光体（SPEs）を有するものである。85％以上の発光体が580±10 nmのゼロフォノンライン（ZPL）を示し、これは以前の報告と比べて10倍以上に狭いスペクトル分布であり、最大15 nmの電気的チューニングが可能となり、2次元材料を用いたスケーラブルな量子フォトニクスデバイスの発展に貢献する。

ABSTRACT

Quantum technologies require robust and photostable single photon emitters (SPEs) that can be reliably engineered. Hexagonal boron nitride (hBN) has recently emerged as a promising candidate host to bright and optically stable SPEs operating at room temperature. However, the emission wavelength of the fluorescent defects in hBN has, to date, been shown to be uncontrolled. The emitters usually display a large spread of zero phonon line (ZPL) energies spanning over a broad spectral range (hundreds of nanometers), which hinders the potential development of hBN-based devices and applications. We demonstrate bottom-up, chemical vapor deposition growth of large-area, few layer hBN that hosts large quantities of SPEs: 100 per 10x10 μm2. Remarkably, more than 85 percent of the emitters have a ZPL at (580{\pm}10)nm, a distribution which is over an order of magnitude narrower than previously reported. Exploiting the high density and uniformity of the emitters, we demonstrate electrical modulation and tuning of the ZPL emission wavelength by up to 15 nm. Our results constitute a definite advancement towards the practical deployment of hBN single photon emitters in scalable quantum photonic and hybrid optoelectronic devices based on 2D materials.

研究の動機と目的

• 原子層が薄い材料に明るく、光安定性の高い単一光子発光体（SPEs）を工程的に設計するスケーラブルな手法を開発すること。
• hBNにおけるSPEの制御不能なスペクトル分布（数百ナノメートルにわたる）を克服すること。
• 実用的な量子デバイス統合に適した、SPEの高密度およびスペクトル均一性を達成すること。
• hBNにおけるSPE発光波長の電気的モード制御およびチューニングを可能にすること。

提案手法

• sapphire基板上に大面積で数層のhBN薄膜をボトムアップで化学蒸着法（CVD）で成長させること。
• 膜成長中に内在的欠陥を制御的に埋め込み、単一光子発光体を生成する合成法を採用すること。
• 共焦点顕微鏡および光励起分光法を用いて、2次元材料上でのSPEのマッピングと特性評価を実施すること。
• ゲート電圧によるゼロフォノンライン（ZPL）発光波長の動的チューニングを実証するための電気的ゲーティング実験を実施すること。
• 10×10 µm²領域におけるZPL位置の統計的分析により、スペクトル均一性を定量すること。
• 高発光体密度（100個/10×10 µm²）を活かし、スケーラブルなデバイス統合を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボトムアップCVD法によるhBN成長は、狭いスペクトル分布を持つ高密度の単一光子発光体を生成できるか？
• RQ2 CVD法で成長させたhBNにおけるSPEのスペクトル均一性は、従来の報告手法と比較してどの程度向上するか？
• RQ3 hBNにおけるSPE発光波長は電気的にチューニング可能か？その範囲はどの程度か？
• RQ4 高発光体密度およびスペクトル均一性は、実用的な量子フォトニクス応用を可能にするか？
• RQ5 電気的ゲーティング下でもSPEのスペクトル安定性および光安定性が維持されるか？

主な発見

• CVD法で成長させたhBNにおける単一光子発光体の85％以上が、580±10 nmのゼロフォノンライン（ZPL）を示し、これは以前の報告と比べて10倍以上に狭いスペクトル分布である。
• 発光体密度は10×10 µm²あたり100個に達し、ナノフォトニクス回路への高スループット統合が可能である。
• ゲート電圧によるZPL発光波長の電気的モード制御が最大15 nmの範囲で達成された。
• スペクトル均一性と高発光体密度により、量子フォトニクスおよびハイブリッドオプトエレクトロニクスデバイスへのスケーラブル統合が可能である。
• 発光体は室温でも明るく、光安定性を維持しており、実用的な量子技術応用に適している。
• この手法により、後処理を経ずに、材料成長段階で内在的欠陥に基づくSPEを直接設計可能である。