[논문 리뷰] Bottom up engineering of near-identical quantum emitters in atomically thin materials

Noah Mendelson, Zai‐Quan Xu외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대면적, 소수층의 헥사곤형 호라이트(heBN)에서 밀도가 높고 거의 동일한 단일 광자 발광체(SPEs)를 갖는 바닥에서부터의 화학 기상 에피택시 성장 방법을 보여준다. 85% 이상의 발광체가 580±10 nm에서 0음향선(ZPL)을 나타내며, 이는 이전 보고에 비해 10배 이상 좁은 스펙트럼 분포를 의미한다. 이는 최대 15 nm의 전기적 조정이 가능하게 하여 2차원 재료 기반의 확장 가능한 양자 광학 장치의 발전에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원자적으로 얄팍한 재료에서 밝고 광안정성 있는 단일 광자 발광체(SPEs)를 공학적으로 설계할 수 있는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 이전에 수백 나노미터에 걸쳐 퍼져 있던 hBN에서 SPE의 통제되지 않은 스펙트럼 분포 문제를 해결하기 위해.
• 실용적인 양자 장치 통합을 위해 SPE의 고밀도 및 스펙트럼 균일성을 달성하기 위해.
• hBN에서 SPE의 발광 파장에 전기적 조절 및 조정이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 사파이어 기판 위에 대면적, 소수층의 hBN 필름을 바닥에서부터의 화학 기상 에피택시(CVD)로 성장시키기.
• 성장 과정 중에 고유 결함을 통제적으로 삽입하여 단일 광자 발광체를 형성하기.
• 공형 현미경 및 광발광 스펙트로스코피를 사용하여 2차원 재료 전반에서 SPE를 맵핑하고 특성화하기.
• 전기적 게이팅 실험을 통해 0음향선(ZPL) 발광 파장의 동적 조절 가능성을 입증하기.
• 10×10 µm² 영역에서 ZPL 위치의 통계 분석을 통해 스펙트럼 균일성을 정량화하기.
• 고밀도 발광체(10×10 µm² 당 100개)를 활용하여 확장 가능한 장치 통합을 가능하게 하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바닥에서부터의 CVD 성장 방식으로 hBN에서 높은 밀도의 단일 광자 발광체를 얻을 수 있으며, 이들의 스펙트럼 분포가 좁아질 수 있는가?
• RQ2 이전에 보고된 방법과 비교해, CVD로 성장시킨 hBN에서 SPE의 달성 가능한 스펙트럼 균일성은 어느 정도인가?
• RQ3 hBN 내 SPE의 발광 파장을 전기적으로 조절할 수 있으며, 그 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 고밀도 발광체와 스펙트럼 균일성이 실용적인 양자 광학 응용을 가능하게 하는가?
• RQ5 전기적 게이팅 조건에서도 SPE의 스펙트럼 안정성과 광안정성이 유지되는가?

주요 결과

• CVD로 성장시킨 hBN 내 단일 광자 발광체 중 85% 이상이 580±10 nm에서 0음향선(ZPL)을 나타내며, 이는 이전 보고에 비해 10배 이상 좁은 스펙트럼 분포를 의미한다.
• 발광체 밀도는 10×10 µm² 당 100개에 도달하여 나노광학 회로에 고성능 통합이 가능하다.
• 게이트 전압 조절을 통해 ZPL 발광 파장의 전기적 조절 범위가 최대 15 nm까지 가능했다.
• 스펙트럼 균일성과 고밀도 발광체는 양자 광학 및 하이브리드 광전자 장치의 확장 가능한 통합을 가능하게 한다.
• 발광체는 실온에서 광안정성과 밝기를 유지하며, 실용적인 양자 기술 응용에 적합하다.
• 이 방법은 후처리 단계 없이 재료 성장 과정 중에 고유 결함 기반의 SPE를 직접 공학적으로 설계할 수 있도록 한다.