[논문 리뷰] Robust multicolor single photon emission from point defects in hexagonal boron nitride

Toan Trong Tran, Christopher Elbadawi외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 31.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 다층 헥사곤형 질화붕소(hBN)의 점결함에서 가시광선 및 가까운 적외선 영역에 걸쳐 강력하고 다색의 단일 광자 방출을 입증한다. 전자선 조사 또는 열처리를 통해 저자들은 10 nm 이내의 폭, 짧은 비가역 상태 수명, 높은 밝기 및 극한의 열적·화학적 처리에 대한 뛰어난 내구성을 갖춘 안정된 발광체를 설계하였으며, 이는 2차원 재료에서 양자 광학 응용을 위한 스케일러블한 양자 발광체의 결정적 제작을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride (hBN) is an emerging two-dimensional material for quantum photonics owing to its large bandgap and hyperbolic properties. Here we report two approaches for engineering quantum emitters in hBN multilayers using either electron beam irradiation or annealing and characterize their photophysical properties. The defects exhibit a broad range of multicolor room-temperature single photon emissions across the visible and the near-infrared spectral ranges, narrow line widths of sub-10 nm at room temperature, and a short excited-state lifetime, and high brightness. We show that the emitters can be categorized into two general groups, but most likely possess similar crystallographic structure. Remarkably, the emitters are extremely robust and withstand aggressive annealing treatments in oxidizing and reducing environments. Our results constitute a step toward deterministic engineering of single emitters in 2D materials and hold great promise for the use of defects in boron nitride as sources for quantum information processing and nanophotonics.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 2차원 헥사곤형 질화붕소(hBN)에서 다색 단일 광자 발광체를 규명하고 특성화하는 것.
• 이 발광체의 광물리적 성질—즉, 스펙트럼 폭, 수명, 밝기—를 연구하는 것.
• 전자선 조사 및 열처리를 통한 공학 기법을 개발하고 구현하여 이러한 발광체를 생성하고 안정화하는 것.
• 산화 및 환원 환경을 포함한 극한의 열적·화학적 처리 조건에서 발광체의 내구성을 평가하는 것.
• 스케일러블한 양자 광학 응용을 위한 2차원 재료에서 단일 광자 소스의 결정적 제작을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 연속파(532 nm) 또는 펄스(510 nm) 레이저 조사 조건 하에서, 공집적 광발광(PL) 분광법을 사용하여 hBN 다층 구조의 단일 결함 중심을 맵핑하고 특성화하였다.
• g(2)(τ) 측정을 통한 한버리 브라운 및 트위스터(Hanbury Brown and Twiss, HBT) 간섭계를 활용하여 g(2)(0) < 0.5 조건을 확보함으로써 단일 광자 방출을 확인하였다.
• 저진공 H2 분雰위에서의 전자선 조사 및 아르곤 분雰위에서의 열처리를 결함 공학 방법으로 적용하여 발광체를 생성하고 안정화하였다.
• 100 ps 펄스 레이저(510 nm, 20 MHz 반복 주기)를 사용한 시간 해상도 광발광 측정을 통해 복사 전이 수명을 정량화하였다.
• 광발광 포화 곡선을 삼수준 모델로 피팅하여 밝기 및 포화 전력 값을 추출하였다.
• 14 K에서의 저온 PL 분광법을 수행하여 결함 방출의 온도 의존성을 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 2차원 hBN에서 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 다색 단일 광자 방출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 hBN 점결함의 광물리적 성질—예를 들어 스펙트럼 폭, 수명, 밝기—가 양자 광학 응용에 활용될 수 있는가?
• RQ3 전자선 조사 및 열처리를 통해 hBN에서 단일 광자 발광체를 공학적으로 설계하고 안정화할 수 있는가?
• RQ4 산화 및 환원 환경을 포함한 극한의 열적·화학적 처리 조건에서 이러한 발광체는 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ5 두 개의 별도된 발광체 군집(Group 1 및 Group 2)은 서로 다른 결정학적 결함 또는 국소적 유전율 환경의 변화로 인한 것인가?

주요 결과

• 이 연구는 실온에서 hBN 다층 구조의 점결함으로부터 가시광선 및 가까운 적외선 영역(1.6–2.2 eV, 565–775 nm)에 걸쳐 200 nm 이상의 스펙트럼 범위를 커버하는 다색 단일 광자 방출을 보고한다.
• 두 개의 별도된 발광체 군집이 확인되었다: 그룹 1(576–652 nm ZPL)은 넓고 비대칭적인 ZPL과 뚜렷한 더블렛 격자 진동 모드 측면파를 보이며, 그룹 2(681–762 nm ZPL)는 좁고 대칭적인 ZPL과 약한 격자 진동 모드 측면파를 보인다.
• 모든 발광체는 실온에서 10 nm 이내의 스펙트럼 폭을 보이며, 높은 스펙트럼 순도를 나타낸다.
• 발광체는 짧은 비가역 상태 수명과 높은 밝기를 보이며, 시간 해상도 광발광 측정을 통해 복사 전이 수명이 측정되었다.
• 발광체는 뛰어난 내구성을 보이며, 아르곤, 수소, 산소, 암모니아 분雰위에서 각각 30분 동안 순차적으로 열처리한 후에도 스펙트럼 특성을 유지한다.
• 모든 발광체에서 ZPL–PSB 에너지 갭은 일관되게 약 ~160 ± 5 meV로 유지되며, 이는 유사한 결정학적 구조를 지니고 있음을 시사하며, 두 군집이 서로 다른 국소적 유전율 환경에서 동일한 결함 종류에서 유래했음을 시사한다.