[논문 리뷰] Charge transition levels of quantum emitters in hexagonal boron nitride

Zai‐Quan Xu, Noah Mendelson외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 30.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 헥사곤 알루미늄 나이트라이드(hBN) 내 양자 발광체의 전하 이행 수준(Eₜ)을 실험적으로 측정하기 위해 그래핀 기반 전하 이동 기술을 도입한다. NMP 기능화를 통해 그래핀의 페르미 수준을 조절함으로써, 0-음향선(ZPL) 파장이 600 nm 초과인 발광체는 그래핀의 페르미 수준보다 높은 Eₜ 수준을 가지며, 도핑 제어를 통해 억제되고 이후 복구됨을 규명하여, 약 0.3 eV의 정밀도로 Eₜ를 정량화한다.

ABSTRACT

Quantum emitters in layered materials are promising candidates for applications in nanophotonics. Here we present a technique based on charge transfer to graphene for measuring the charge transition levels ($ m E_t$) of fluorescent defects in a wide bandgap 2D material, and apply it to quantum emitters in hexagonal boron nitride (hBN). Our results will aid in identifying the atomic structures of quantum emitters in hBN, as well as practical applications since $ m E_t$ determines defect charge states and plays a key role in photodynamics.

연구 동기 및 목표

• hBN 내 발광 결함의 전하 이행 수준(Eₜ)을 결정함으로써, 결함 전하 상태 및 광역학적 거동 이해에 기여한다.
• 바르-바르-바르 헤테로구조 내 그래핀으로의 전하 이동을 이용한 실험적 Eₜ 탐색 방법을 개발한다.
• Eₜ와 발광 파장 간의 상관관계를 규명하고, NMP 기능화에 의한 조절 가능한 그래핀 페르미 수준을 통해 억제 현상을 제어한다.
• hBN의 금역 내에서 정량적인 Eₜ 값을 제공하여 원자 구조 규명을 안내하고 장치 안정성을 향상시킨다.
• 주변 환경의 전자 공학적 조절을 통해 hBN 기반 단일광자 발광체의 번쩍임 및 스펙트럼 확산 제어를 가능하게 한다.

제안 방법

• PMMA 보조 습식 전달 기법을 사용해 그래핀-hBN 헤테로구조를 제작하여 hBN 결함으로의 제어된 전하 이동을 구현한다.
• 양자 발광체의 0-음향선(ZPL) 및 음향선 뒷편 스펙트럼을 측정하기 위해 광발광 스펙트로스코피를 사용한다.
• 환경적 광전자 수확율 분석(EPYS)을 통해 이송 후 및 NMP 기능화 상태에서 그래핀의 페르미 수준(E_F)과 진공 수준(E_vac) 간의 상대적 위치를 측정한다.
• N-메틸-2-피롤리돈(NMP)으로 그래핀을 기능화하여 E_F를 약 0.3 eV 상향 이동시키고, EPYS 및 라만 스펙트로스코피를 통해 이 이동을 확인한다.
• ZPL 발광의 억제(λ > 600 nm)가 Eₜ > E_F일 때 발생하고, NMP 기능화 후 복구됨을 관찰하여 Eₜ 위치를 추론한다.
• E_F, E_vac 및 hBN 금역 에너지 수준에 대한 상대적 위치를 나타내는 에너지도를 구성하였으며, 600 nm ZPL 발광체의 Eₜ는 hBN 최대 정공 띠 끝에서 약 3.6 eV 상단에 위치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZPL 파장이 600 nm 초과인 hBN 내 양자 발광체의 전하 이행 수준(Eₜ)은 무엇인가?
• RQ2 NMP 기능화에 의한 그래핀의 페르미 수준 조절이 hBN 양자 발광체의 억제에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 그래핀으로의 전하 이동이 2차원 재료 내 결함의 Eₜ 수준을 탐색하는 데 신뢰할 수 있는 방법이 될 수 있는가?
• RQ4 이송 후 및 NMP 기능화된 그래핀의 페르미 수준 사이에 위치하는 Eₜ 수준의 에너지 범위는 무엇인가?
• RQ5 Eₜ 수준은 hBN 발광체의 광안정성, 번쩍임 및 스펙트럼 확산과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• ZPL 파장이 600 nm 초과인 발광체는 이송된 그래핀의 페르미 수준(E_F)보다 높은 Eₜ 수준을 가지므로 그래핀에 의해 억제된다.
• NMP로 기능화된 그래핀은 E_F를 약 0.3 eV 상향 이동시켜 ZPL 파장이 600 nm 초과인 발광체의 발광을 복구시킴으로써 Eₜ가 E_F와 일치함을 확인한다.
• EPYS 측정 결과, 이송된 그래핀의 E_F는 4.7 eV, NMP 기능화된 그래핀의 E_F는 4.4 eV로 확인되어 약 0.3 eV 상향 이동이 확인되었다.
• 600 nm ZPL 발광체의 전하 이행 수준은 hBN의 최대 정공 띠 끝에서 약 3.6 eV 상단에 위치하며, Eₜ ≈ E_F1과 일치한다.
• ZPL 파장이 600 nm 초과인 발광체의 Eₜ 수준은 이송된 그래핀과 NMP 기능화된 그래핀의 E_F 사이 약 0.3 eV 에너지 창문 내에 위치한다.
• 라만 스펙트로스코피는 NMP 기능화 후 그래핀의 편성에서 약간의 n형 성질로의 전이를 독립적으로 확인하여 EPYS 결과를 지지한다.