[論文レビュー] Photoluminescence of lead-related optical centers in single-crystal diamond

S. Ditalia Tchernij, Tobias Lühmann+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 48被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、鉛イオン注入および熱アニールを用いて、単結晶ダイヤモンドに安定な lead 関連色中心を創出し、552.1 nm および 556.8 nm で強い光励起発光を示すことを示した。535–700 nm の範囲にも発光線が観察された。発光強度と Pb イオン注入フラランスの相関および C イオン対照試料での欠如から、発光の Pb 由来であることが確認され、量子光学デバイスへの応用が期待される。

ABSTRACT

We report on the creation and characterization of Pb-related color centers in diamond upon ion implantation and subse- quent thermal annealing. Their optical emission in photoluminescence (PL) regime consists of an articulated spectrum with intense emission peaks at 552.1 nm and 556.8 nm, accompanied by a set of additional lines in the 535700 nm range. The attribution of the PL emission to stable Pb-based defects is corroborated by the correlation of its intensity with the implantation fluence of Pb ions, while none of the reported features is observed in reference samples implanted with C ions. Furthermore, PL measurements performed as a function of sample temperature (143-300 K range) and un- der different excitation wavelengths (532 nm, 514 nm, 405 nm) suggest that the complex spectral features observed in Pb-implanted diamond might be related to a variety of different defects and/or charge states. This work follows from previous reports on optically active centers in diamond based on group IV impurities, such as Si, Ge and Pb. In perspective, a comprehensive study of this set of defect complexes could bring significant insight on the common features involved in their formation and opto-physical properties, thus offering a solid basis for the devel- opment of a new generation of quantum-optical devices.

研究の動機と目的

• 単結晶ダイヤモンドにおける Pb 関連色中心の生成および光学的性質を調査すること。
• Pb イオン注入後に観察された発光特徴の起源を特定すること。
• 発光強度と Pb イオン注入フラランスの相関を調べ、Pb が発光に果たす役割を確認すること。
• C イオン注入した参照試料と比較することで、Pb 関連欠陥を他の不純物から区別すること。
• Pb を基盤とする欠陥が量子光学デバイスの候補として有効であるかを検討すること。

提案手法

• 制御されたフラランスで Pb イオンを高品質な単結晶ダイヤモンド基板にイオン注入する。
• 生成された欠陥を活性化および安定化させるために、イオン注入後の熱アニールを実施する。
• 発光特性を調査するため、複数の励起波長（532 nm、514 nm、405 nm）を用いた光励起分光法を実施する。
• 温度依存性発光測定（143–300 K）を実施し、熱安定性および欠陥状態遷移を評価する。
• Pb イオン注入試料と C イオン注入参照試料の発光スペクトルを比較し、Pb 特有の特徴を特定する。
• 535–700 nm 範囲のスペクトル特徴を分析し、複数の発光線および可能性のある電荷状態を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン注入およびアニール処理後に生成された Pb 関連色中心の光励起発光特性は何か？
• RQ2 観察された発光線の発光強度は、注入された Pb イオンのフラランスとどのように相関するか？
• RQ3 観察された光学的特徴は Pb イオン注入に特有のものであり、C イオン注入した対照試料でも観察されるか？
• RQ4 温度および励起波長の変化が、Pb 関連欠陥の発光スペクトルにどのように影響するか？
• RQ5 複雑なスペクトル特徴から、複数の明確に区別できる欠陥構造または電荷状態を同定できるか？

主な発見

• Pb イオン注入ダイヤモンドでは、552.1 nm および 556.8 nm に強い光励起発光ピークが観察され、535–700 nm の範囲に追加の発光線も存在した。
• 主な発光特徴の発光強度は Pb イオン注入フラランスに線形に比例し、発光が Pb 関連欠陥由来であることが確認された。
• C イオン注入参照試料では、535–700 nm 範囲に顕著な発光特徴は観察されず、観察された発光が Pb 特有のものであることが確認された。
• 温度依存性発光測定により、143 K から 300 K の間で明確なスペクトルの変化が観察され、複数の欠陥状態または電荷配置が存在することが示された。
• 励起波長依存性（532 nm、514 nm、405 nm）の結果から、Pb 関連欠陥系内に複数の欠陥種や遷移が存在することがさらに裏付けられた。
• 複雑なスペクトル構造から、ダイヤモンド格子内に複数の明確に区別できる Pb を基盤とする欠陥構造または電荷状態が共存していることが示唆された。