[논문 리뷰] Selective Defect Formation in Hexagonal Boron Nitride

Irfan Haider Abidi, Noah Mendelson외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 21.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 가지 별개의 스펙트럼 영역인 550–600 nm 또는 600–650 nm에서 조절 가능한 영점음향선(ZPL) 방출을 갖는 단일 광자 발광체(SPEs)를 선택적이고 결정적으로 형성할 수 있도록 하는 대기압 화학기수증기증착(APCVD) 동안의 게터링 기법을 제시한다. 구리 기질을 통한 붕소 확산을 제어함으로써 결정성과 결함 농도를 향상시키고, hBN 기반 양자 발광체를 온칩 광학 시스템에 스케일러블하게 통합할 수 있다.

ABSTRACT

Luminescent defect-centers in hexagonal boron nitride (hBN) have emerged as a promising 2D-source of single photon emitters (SPEs) due to their high brightness and robust operation at room temperature. The ability to create such emitters with well-defined optical properties is a cornerstone towards their integration into on-chip photonic architectures. Here, we report an effective approach to fabricate hBN single photon emitters (SPEs) with desired emission properties in two isolated spectral regions via the manipulation of boron diffusion through copper during atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD)--a process we term gettering. Using the gettering technique we deterministically place the resulting zero-phonon line (ZPL) between the regions 550-600 nm or from 600-650 nm, paving the way for hBN SPEs with tailored emission properties across a broad spectral range. Our ability to control defect formation during hBN growth provides a simple and cost-effective means to improve the crystallinity of CVD hBN films, and lower defect density making it applicable to hBN growth for a wide range of applications. Our results are important to understand defect formation of quantum emitters in hBN and deploy them for scalable photonic technologies.

연구 동기 및 목표

• 화학기수증기증착 동안 흑연질 붕소질화갈륨(hBN)에서 결함 형성에 대한 결정적 제어 방법을 개발하는 것.
• 특정 스펙트럼 영역에서 잘 정의되고 조절 가능한 방출 파장을 갖는 단일 광자 발광체(SPEs)를 생성할 수 있도록 하는 것.
• hBN 필름의 결정성 향상과 CVD로 성장시킨 hBN의 결함 농도 감소를 통해 광전기적 성능 향상.
• hBN 기반 양자 발광체를 온칩 광학 아키텍처에 스케일러블하고 비용 효율적인 방식으로 통합할 수 있는 길을 제공하는 것.

제안 방법

• hBN 성장 중 붕소 확산을 제어하기 위해 대기압 화학기수증기증착(APCVD)과 구리 기질을 사용하는 방법.
• 과잉 붕소를 선택적으로 포집함으로써 붕소 확산을 조작하는 '게터링' 과정을 통해 결함 형성을 제어.
• 확산 역학을 조절함으로써 영점음향선(ZPL) 방출을 550–600 nm 또는 600–650 nm로 정밀하게 튜닝할 수 있음.
• 필름 성장 중에 적용되기 때문에 표준 CVD 제조 공정과 호환되며, 장치 통합에 대한 스케일러비리티 확보.
• 결함 형성은 붕소 농도 기울기와 연관되며, 구리 기질이 붕소 수거체로 작용함으로써 제어됨.
• 방출 파장 제어를 확인하기 위해 광발광 스펙트로스코피를 실험적으로 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 성장 중 붕소 확산을 제어하여 원하는 방출 파장을 갖는 단일 광자 발광체의 선택적 형성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 구리 기질을 붕소 게터로 사용할 경우 CVD로 성장한 hBN에서 결함 형성과 결정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 방법을 통해 hBN 결함의 영점음향선(ZPL) 방출을 550–600 nm 또는 600–650 nm와 같은 특정 스펙트럼 영역으로 결정적으로 튜닝할 수 있는가?
• RQ4 게터링 공정이 hBN 필름의 결정성 향상과 결함 농도 감소에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 이 기법은 온칩 광학 통합을 위한 양자 기술에 대해 스케일러블하고 호환 가능한가?

주요 결과

• 게터링 기법을 통해 hBN에서 영점음향선(ZPL) 방출을 두 개의 고립된 스펙트럼 영역인 550–600 nm 또는 600–650 nm로 결정적으로 위치시킬 수 있다.
• 구리 기질을 통한 제어된 붕소 확산으로 인해 결함 농도가 크게 감소하고 결정성이 향상된다.
• 이 방법은 hBN에서 단일 광자 발광체의 빛기동성과 실온 안정성을 향상시켜 실용적인 광학 응용에 적합하게 한다.
• 표준 대기압 CVD 공정과 호환되어 hBN 기반 양자 발광체의 스케일러블하고 비용 효율적인 제조가 가능하다.
• 광발광 측정을 통해 목표 스펙트럼 영역 전역에서 제작된 결함의 재현 가능하고 튜너블한 방출 특성을 확인하였다.
• 이 접근법은 hBN 단일 광자 발광체를 특정 광학 특성을 갖는 온칩 광학 회로에 통합할 수 있는 길을 제공한다.