[논문 리뷰] Temperature-dependent energy-level shifts of Spin Defects in hexagonal Boron Nitride

Wei Liu, Zhipeng Li외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 25.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 73인용 수 96

한 줄 요약

이 연구는 5–600 K 범위에서 헥사곤형 밀리세라믹질 질화붕소(hBN) 내 음성 전하를 띤 볼론 결함(V−B)의 온도 의존성 광학적 및 자기적 성질을 조사한다. 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 사용하여, 영자일 분열 매개변수 D가 온도에 따라 단조롭게 감소함을 입증하였으며, 이는 Varshni 방정식으로 잘 기술되며 주로 열팽창에 기인한다. V−B 결함는 600 K까지 안정성을 유지하며, 다양한 hBN 나노분말에서 D 및 E의 변화는 응력과 표면 효과가 결함 거동에 영향을 준다는 것을 시사하며, 이는 통합 나노스케일 열감지에 잠재적 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Two-dimensional hexagonal boron nitride (hBN) has attracted large attentions as platforms for realizations for integrated nanophotonics and collective effort has been focused on the spin defect centers. Here, the temperature dependence of the resonance spectrum in the range of 5-600 K is investigated. The zero-field splitting (ZFS) parameter D is found to decrease monotonicly with increasing temperature and can be described by Varshni empirical equation perfectly, while E almost does not change. We systematically study the differences among different hBN nanopowders and provide an evidence of edge effects on ODMR of VB- defects. Considering the proportional relation between D and reciprocal of lattice volume, the thermal expansion might be the dominant reason for energy-level shifts. We also demonstrate that the VB- defects still exist stably at least at 600 K. Moreover, we propose a scheme for detecting laser intensity using the VB- defects in hBN nanopowders, which is based on the obvious dependence of its D value on laser intensity. Our results are helpful to gain insight into the spin properties of VB- and for the realizations of miniaturized, integrated thermal sensor.

연구 동기 및 목표

• 2D 헥사곤형 질화붕소(hBN) 내 스핀 결함 에너지 준위의 온도 의존성을 이해하기 위해.
• 온도 변화에 따른 V−B 결함 내 에너지 준위 이동의 기원을 규명하기 위해.
• V−B 결함의 열안정성 및 환경 민감도를 양자 감지 응용 분야에서 평가하기 위해.
• 다양한 hBN 나노분말 샘플 간 결함 거동의 변화를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 5 K에서 600 K의 온도 범위에서 hBN 내 V−B 결함의 스핀 준위 간 마이크로파 전이를 측정하기 위해 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 사용하였다.
• 자체 제작한 공중합 현미경 장치를 통해 정밀한 온도 제어와 ODMR 신호 탐지를 실현하였으며, 마이크로파 소스, 레이저 자극(532 nm), 애벌랜치 포토다이오드 탐지 기술을 활용하였다.
• 영자일 분열 매개변수 D의 온도 의존성을 모델링하기 위해 Varshni 경험식을 적용하였다.
• 에너지 준위 이동과 연관시키기 위해 역격자 부피를 계산하였으며, 이는 열팽창 가정을 지지하는 데 기여하였다.
• ODMR 스펙트럼을 두 개의 로렌츠 피크로 피팅하여 공명 주파수 ν1 및 ν2에서 D 및 E 매개변수를 추출하였다.
• 응력과 표면 효과를 평가하기 위해 다양한 hBN 나노분말 샘플 간 결함 분포를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 내 V−B 결함의 영자일 분열(D)은 5 K에서 600 K의 온도 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 관찰된 온도 의존성 에너지 준위 이동의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 국소적 응력과 플레이크 표면 가장자리 근접성이 hBN 나노분말 내 V−B 결함의 D 및 E 매개변수에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 Varshni 방정식을 사용하여 D의 온도 의존성이 정확하게 모델링될 수 있는가?
• RQ5 V−B 결함는 고온에서 안정한가? 이는 양자 감지 응용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 마이크로파 전이 에너지(D)는 온도가 증가함에 따라 단조롭게 감소하며, 높은 정확도로 Varshni 경험식에 잘 맞는다.
• 에너지 준위 이동은 역격자 부피에 비례하는 것으로 나타나, 열팽창이 주요 물리적 메커니즘이라는 것을 시사한다.
• V−B 결함는 600 K까지 광학적 및 자기적 안정성을 유지하며, 고온 작동 조건에서도 견고함을 확인한다.
• E 매개변수는 온도 의존성이 뚜렷하지 않으며, D에 비해 열적 영향을 덜 받는다는 것을 시사한다.
• 다양한 hBN 나노분말 샘플 간 D 및 E 값에 상당한 차이가 관찰되며, 이는 국소적 응력과 가장자리 근접성 때문일 가능성이 높다.
• 결과는 hBN 내 V−B 결함를 소형화 및 통합된 열감지기로 활용할 수 있음을 뒷받침한다.