[论文解读] Bottom up engineering of near-identical quantum emitters in atomically thin materials

Noah Mendelson, Zai‐Quan Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 35被引用 5

一句话总结

本文展示了在蓝宝石衬底上通过自下而上的化学气相沉积法（CVD）生长大面积、少层六方氮化硼（hBN），其具有高密度、近乎相同的单光子发射体（SPEs）。超过85%的发射体在580±10 nm处呈现零声子线（ZPL）——其光谱宽度比以往报道窄一个多数量级，实现了高达15 nm的电调谐，推动了基于二维材料的可扩展量子光子器件发展。

ABSTRACT

Quantum technologies require robust and photostable single photon emitters (SPEs) that can be reliably engineered. Hexagonal boron nitride (hBN) has recently emerged as a promising candidate host to bright and optically stable SPEs operating at room temperature. However, the emission wavelength of the fluorescent defects in hBN has, to date, been shown to be uncontrolled. The emitters usually display a large spread of zero phonon line (ZPL) energies spanning over a broad spectral range (hundreds of nanometers), which hinders the potential development of hBN-based devices and applications. We demonstrate bottom-up, chemical vapor deposition growth of large-area, few layer hBN that hosts large quantities of SPEs: 100 per 10x10 μm2. Remarkably, more than 85 percent of the emitters have a ZPL at (580{\pm}10)nm, a distribution which is over an order of magnitude narrower than previously reported. Exploiting the high density and uniformity of the emitters, we demonstrate electrical modulation and tuning of the ZPL emission wavelength by up to 15 nm. Our results constitute a definite advancement towards the practical deployment of hBN single photon emitters in scalable quantum photonic and hybrid optoelectronic devices based on 2D materials.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于在原子级薄材料中构建明亮、光学生稳定性强的单光子发射体（SPEs）。
• 克服以往hBN中SPEs光谱分布不可控的问题，其光谱范围曾达数百纳米。
• 实现SPEs的高密度与光谱均匀性，以促进实际量子器件的集成。
• 实现hBN中SPE发射波长的电调控与调谐。

提出的方法

• 在蓝宝石衬底上通过自下而上的化学气相沉积（CVD）法生长大面积、少层hBN薄膜。
• 通过可控合成在薄膜生长过程中引入作为单光子发射体的本征缺陷。
• 利用共聚焦显微镜与光致发光光谱法对二维材料中的SPEs进行成像与表征。
• 通过电栅控实验展示零声子线（ZPL）发射波长的动态调谐。
• 对10×10 µm²区域内的ZPL位置进行统计分析，以量化光谱均匀性。
• 利用高发射体密度（每10×10 µm²区域含100个）实现可扩展器件集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 自下而上的CVD生长能否在hBN中实现高密度、窄光谱分布的单光子发射体？
• RQ2 与以往报道的方法相比，CVD生长hBN中SPEs的可实现光谱均匀性如何？
• RQ3 hBN中SPE的发射波长能否实现电调谐？调谐范围是多少？
• RQ4 高发射体密度与光谱均一性是否可支持实际量子光子学应用？
• RQ5 在电栅控条件下，SPEs的光谱稳定性和光学生稳定性是否得以保持？

主要发现

• 在CVD生长的hBN中，超过85%的单光子发射体在580±10 nm处呈现零声子线（ZPL），其光谱分布比以往报道结果窄一个以上数量级。
• 发射体密度达到每10×10 µm²区域100个，可实现纳米光子电路中的高通量集成。
• 通过栅压调制，成功实现了ZPL发射波长高达15 nm的电调谐。
• 发射体的光谱均一性与高密度特性，使其适用于可扩展的量子光子与混合光电子器件集成。
• 发射体在室温下保持光学生稳定且亮度高，适用于实际量子技术应用。
• 该方法可在材料生长过程中直接原位工程化本征缺陷型SPEs，无需后续处理步骤。