[論文レビュー] Fabrication of Solid-Immersion-Lenses by focussed ion beam milling

Mohammad Vahid Jamali, Ilja Gerhardt+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、亀裂のないイオンビーム（FIB）マシニング技術を用いて、ダイヤモンド基板上に固体集光レンズ（SIL）をサブミクロン精度で加工し、単一の窒素空孔（NV）中心を高精度で位置決めすることを目的としている。この手法により、[111]方向を向いたNV中心からの記録的な100万カウント/秒のカウントレートが達成され、光子収率の向上が実証された。

ABSTRACT

Recent efforts to define microscopic solid-immersion-lenses (SIL) by focused ion beam milling into diamond substrates that are registered to a preselected single photon emitter are summarized. We show how we determine the position of a single emitter with at least 100 nm lateral and 500 nm axial accuracy, and how the milling procedure is optimized. The characteristics of a single emitter, a Nitrogen Vacancy (NV) center in diamond, are measured before and after producing the SIL and compared with each other. A count rate of 1.0 million counts per second is achieved with a $[111]$ oriented NV center.

研究の動機と目的

• フォーカスドアイオングラム（FIB）マシニングを用いて、ダイヤモンド基板上に固体集光レンズ（SIL）を高精度で加工する手法を開発すること。
• 単一光子発光体、具体的にはダイヤモンド内の窒素空孔（NV）中心について、100 nm未塔の横方向および500 nm未塔の軸方向の位置決め精度を達成すること。
• FIBマシニングプロセスを最適化し、最小限の損傷とNV中心の最大限の光学的強化を実現すること。
• SIL加工の前後におけるNV中心の光子的特性を測定・比較し、性能向上を定量すること。

提案手法

• フォーカスドアイオングラム（FIB）マシニングを用いて、幾何形状と配置を精密に制御することで、ダイヤモンド基板を固体集光レンズ（SIL）に加工する。
• 共焦点顕微鏡および光学アライメント技術を用いて、単一のNV中心の位置を100 nm未塔の横方向および500 nm未塔の軸方向の精度で特定する。
• FIBマシニング手順を最適化し、格子欠損を最小限に抑え、NV中心の光励起特性を維持する。
• 事前に選択されたNV中心に密接に一致するようにSILを加工し、発光光子の収率を最大化する。
• SIL加工の前後におけるカウントレートを測定し、強化効果を評価する。特に[111]方向を向いたNV中心に注目する。
• 標準的な光励起分光法を用いて、NV中心の光学的応答および発光特性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォーカスドアイオングラムマシニングは、ダイヤモンド内の単一のNV中心に対して100 nm未塔の横方向および500 nm未塔の軸方向の位置決め精度を達成できるか？
• RQ2 SIL加工過程におけるFIBマシニングが、NV中心の光励起特性に及ぼす影響は何か？
• RQ3 SIL加工後、[111]方向を向いたNV中心から得られる最大の光子カウントレートはどの程度か？
• RQ4 SIL加工は、ダイヤモンド内における単一光子発光体の光子収率をどの程度向上させるか？
• RQ5 SIL加工の前後におけるNV中心の光子的特性は、どのように比較できるか？

主な発見

• FIBマシニングプロセスにより、単一のNV中心に対して100 nmの横方向および500 nmの軸方向の位置決め精度で、ダイヤモンド基板上に固体集光レンズ（SIL）を正確に加工できる。
• SIL加工後もNV中心の光励起特性が保持されており、FIBプロセスによる放射線損傷が最小限であることが示された。
• SIL加工後、[111]方向を向いたNV中心から100万カウント/秒のカウントレートが達成され、光子収率の顕著な向上が確認された。
• SIL加工プロセスは、単一光子発光体の量子的特性を損なわず、ダイヤモンド内での光学的収率を効果的に向上させた。
• 測定された光子カウントレートは、FIBで加工されたSILを用いた量子技術分野における高スループット単一光子源の実現可能性を示している。