[论文解读] Fabrication of Solid-Immersion-Lenses by focussed ion beam milling

Mohammad Vahid Jamali, Ilja Gerhardt+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis被引用 1

一句话总结

本文提出一种聚焦离子束（FIB）铣削技术，可在金刚石衬底上以亚微米精度制造固态浸没透镜（SILs），实现对单个氮空位（NV）中心的高精度定位。该方法实现了从[111]取向NV中心获得100万计数每秒的记录计数率，证明了光子收集效率的提升。

ABSTRACT

Recent efforts to define microscopic solid-immersion-lenses (SIL) by focused ion beam milling into diamond substrates that are registered to a preselected single photon emitter are summarized. We show how we determine the position of a single emitter with at least 100 nm lateral and 500 nm axial accuracy, and how the milling procedure is optimized. The characteristics of a single emitter, a Nitrogen Vacancy (NV) center in diamond, are measured before and after producing the SIL and compared with each other. A count rate of 1.0 million counts per second is achieved with a $[111]$ oriented NV center.

研究动机与目标

• 开发一种利用聚焦离子束（FIB）铣削在金刚石衬底上制造固态浸没透镜（SILs）的高精度方法。
• 实现对单光子发射体（特别是金刚石中的氮空位（NV）中心）在横向小于100 nm、轴向小于500 nm的定位精度。
• 优化FIB铣削工艺，以最小化损伤并最大化单个NV中心的光学增强效果。
• 测量并比较SIL制备前后NV中心的光子特性，以量化性能提升。

提出的方法

• 利用聚焦离子束（FIB）铣削将金刚石衬底加工成具有精确几何形状和位置控制的固态浸没透镜（SILs）。
• 通过共聚焦显微镜和光学对准技术，实现对单个NV中心位置的至少100 nm横向和500 nm轴向精度测定。
• 优化FIB铣削工艺，以最小化晶格损伤并保持NV中心的光致发光特性。
• 将SIL与预先选定的NV中心精确对准，以最大化发射光子的收集效率。
• 在SIL制备前后测量光子计数率以评估增强效果，重点关注[111]取向的NV中心。
• 利用标准光致发光光谱分析NV中心的光学响应和发射特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚焦离子束铣削能否实现对金刚石中单个NV中心横向小于100 nm、轴向小于500 nm的定位精度？
• RQ2 FIB铣削工艺在SIL制备过程中对NV中心的光致发光特性有何影响？
• RQ3 在SIL制备后，[111]取向NV中心可实现的最大光子计数率是多少？
• RQ4 SIL制备在多大程度上提升了NV中心单光子发射的收集效率？
• RQ5 SIL制备前后NV中心的光子特性有何差异？

主要发现

• FIB铣削工艺可实现相对于单个NV中心的100 nm横向和500 nm轴向定位精度，精确制造金刚石衬底上的固态浸没透镜（SILs）。
• SIL制备后，NV中心的光致发光特性得以保持，表明FIB工艺造成的辐射损伤极小。
• 在SIL制备后，[111]取向NV中心实现了每秒100万计数的计数率，显著提升了光子收集效率。
• SIL制备工艺成功增强了金刚石中单光子发射体的光学收集效率，同时未对其量子特性造成退化。
• 测得的光子计数率证明了使用FIB加工SIL可实现高通量单光子源在量子技术中的可行性。