[논문 리뷰] A bubble-induced ultrastable and robust single-photon emitter in hexagonal boron nitride

Yi‐Tao Wang, Wei Liu외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 02.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 상온에서 1년 이상 블리킹 및 블리칭 없이 초고안정성 발광을 보이는 삼각형 붕소질화물(hBN)에서 기포 유도 단일광자 발광체(SPE)를 입증한다. 결함 기반의 SPE는 반데르발스 기포로부터 발생하는 국소적 응력에 의해 활성화되고 안정화되며, 압력 순환에 따라 가역적인 광발광 조절이 가능하여 스케일러블 양자 나노광학을 위한 견고한 실온 양자 발광원을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상온 조건에서 hBN 기반 단일광자 발광체(SPE)의 블리킹 및 블리칭이라는 핵심적 제약을 해결하기 위해.
• 반데르발스 기포에서 유래한 나노스케일 응력이 2차원 물질 내 양자 발광체를 어떻게 안정화하는지 조사하기 위해.
• 실용적인 양자 광학 장치에 적합한 장기적 광안정성을 갖춘 견고하고 고순도의 SPE를 구현하기 위해.
• 외부 압력 조절에 따른 결함 기반 발광체의 동적 거동을 탐색하여 조절 가능한 양자 발광을 실현하기 위해.

제안 방법

• 삼각형 붕소질화물(hBN) 내 고유한 기포를 활용하여 나노스케일에서 국소적 응력을 유도하고, 밴드 갭을 수정하기 위해.
• 저압 및 대기압 순환 조건을 적용하여 SPE의 광발광을 조절하기 위해.
• 장기간에 걸친 SPE의 발광 안정성 및 동역학을 모니터링하기 위해 공중점 분광법을 적용하기 위해.
• SPE가 기포 구조에 의한 응력에 의해 고립되고 활성화된 격자 결함에서 기인한다는 것을 규명하기 위해.
• 압력 조절을 통해 발광 결함의 가역적 활성화 및 억제를 탐색하여 동적 결함 상태 전이를 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 내 기포가 상온 조건에서 블리킹 및 블리칭이 억제된 안정한 단일광자 발광체를 유도할 수 있는가?
• RQ2 반데르발스 기포에서 유래한 국소적 응력이 hBN 내 결함의 전자 구조 및 광발광에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SPE의 외부 압력에 대한 동적 반응은 어떠한가? 그리고 그 발광은 가역적으로 조절될 수 있는가?
• RQ4 SPE를 담당하는 결함이 기포에 의해 고립되고 응력에 의해 활성화된 격자 결함에서 기인하는가?
• RQ5 SPE는 열화 없이 장기간 동안 고순도 발광을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• hBN 내 기포 유도 SPE는 상온 조건에서 1년 이상 블리킹 또는 블리칭 없이 초고안정성 발광을 보이며 뛰어난 광안정성을 입증한다.
• 저압 조건에서 발광 결함의 비정상적인 연속적 활성화 및 억제 과정이 관찰되어 동적 결함 상태 조절이 가능하다는 것을 시사한다.
• 대기압으로 복귀할 경우 발광 강도가 완전히 복원되며, 응력 조절에 의한 가역적 제어가 확인된다.
• 압력 의존성 행동을 통해 결함 기원이 기포에 의한 국소적 응력에 의해 고립되고 활성화된 격자 결함임을 확인한다.
• 시스템은 실온에서 고순도 단일광자 발광을 유지하여 실용적인 양자 나노광학 응용에 기여한다.