[논문 리뷰] Photoluminescence of lead-related optical centers in single-crystal diamond

S. Ditalia Tchernij, Tobias Lühmann외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 05.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 48인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 납 이온 주입 및 열처리를 통해 단일 결정 다이아몬드에 안정적인 납 관련 색 중심을 생성함을 보여주며, 552.1 nm 및 556.8 nm에서 강한 광발광을 나타내고, 535–700 nm 범위 내 추가 발광 선을 포함한다. 광발광 강도가 납 주입 선량과 상관관계를 보이고, 탄소 이온 대조군에서는 관측되지 않음으로써 납 기원임을 확인하여 양자광학 장치에 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 결정 다이아몬드에서 납 관련 색 중심의 형성 및 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 납 이온 주입 후 관측된 광발광 특성의 기원을 규명하기 위해.
• 광발광 강도가 납 주입 선량과 어떻게 상관관계를 가지는지 분석하여 납이 발광에 미치는 역할를 확인하기 위해.
• 탄소 이온 주입한 기준 샘플과의 비교를 통해 납 관련 결함를 다른 불순물과 구별하기 위해.
• 납 기반 결함가 양자광학 장치 후보로 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 제어된 선량으로 고품질 단일 결정 다이아몬드 기판에 납 이온 주입.
• 결함를 활성화하고 안정화하기 위한 주입 후 열처리.
• 다양한 흥분 파장(532 nm, 514 nm, 405 nm)에서 광발광 스펙트로스코피를 수행하여 발광 특성 조사.
• 143–300 K 범위의 온도 의존 광발광 측정을 통해 열적 안정성 및 결함 상태 전이 평가.
• 납 주입 및 탄소 이온 주입 기준 샘플 간의 광발광 스펙트럼 비교를 통해 납 특유의 특징을 분리.
• 535–700 nm 범위의 스펙트럼 특징 분석을 통해 다수의 발광 선 및 가능한 전하 상태 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 주입 및 열처리 후 다이아몬드에 형성된 납 관련 색 중심의 광발광 특성은 무엇인가?
• RQ2 관측된 발광 선의 광발광 강도는 주입된 납 이온 선량과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 관측된 광학적 특징은 납 주입에 고유한 것인가, 아니면 탄소 이온 주입한 대조군에서도 나타나는가?
• RQ4 온도 및 흥분 파장은 납 관련 결함의 발광 스펙트럼 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 복잡한 스펙트럼 특징으로부터 여러 개의 별개의 결함 구조 또는 전하 상태를 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 납 주입 다이아몬드에서 552.1 nm 및 556.8 nm에서 강한 광발광 피크를 관측하였고, 535–700 nm 범위에 추가 발광 선이 존재함.
• 주요 발광 특징의 광발광 강도가 납 이온 주입 선량과 선형 상관관계를 보이며, 이는 납 관련 결함 기원을 확인함.
• 탄소 이온 주입 기준 샘플에서는 535–700 nm 범위에 유의미한 발광 특징이 관측되지 않아, 관측된 발광이 납 특유임을 확인함.
• 온도 의존 광발광 측정에서 143 K에서 300 K 사이에 명확한 스펙트럼 변화가 나타나, 다수의 결함 상태 또는 전하 구성이 있음을 시사함.
• 흥진 파장 의존성(532 nm, 514 nm, 405 nm) 분석은 납 관련 결함 시스템 내 다수의 결함 종류 또는 전이 존재를 추가로 뒷받침함.
• 복잡한 스펙트럼 구조는 다이아몬드 격자 내 여러 개의 별개의 납 기반 결함 구조 또는 전하 상태가 공존하고 있음을 시사함.