[논문 리뷰] Sub-nanoscale Temperature, Magnetic Field and Pressure sensing with Spin Centers in 2D hexagonal Boron Nitride

Andreas Gottscholl, Matthias Diez외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 22.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2차원 헥사곤형 질화붕소(2D hBN)에서 음전하를 띤 붕소 공여결함(V_B⁻)이 온도, 자장 및 압력에 대한 서브-나노스케일 센서로 작용함을 입증한다. 고스핀 트리플렛 기저 상태와 스핀에 의존하는 형광 특성을 활용하여, 저자들은 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR) 주파수 이격이 격자 상수 변화를 통해 온도 및 압력 변화와 관련이 있음을 보여주며, 원자 스케일에서 다중 매개변수 센싱이 가능함을 밝혔다.

ABSTRACT

Spin defects in solid-state materials are strong candidate systems for quantum information technology and sensing applications. Here we explore in details the recently discovered negatively charged boron vacancies ($V_B^-$) in hexagonal boron nitride (hBN) and demonstrate their use as atomic scale sensors for temperature, magnetic fields and externally applied pressure. These applications are possible due to the high-spin triplet ground state and bright spin-dependent photoluminescence (PL) of the $V_B^-$. Specifically, we find that the frequency shift in optically detected magnetic resonance (ODMR) measurements is not only sensitive to static magnetic fields, but also to temperature and pressure changes which we relate to crystal lattice parameters. Our work is important for the future use of spin-rich hBN layers as intrinsic sensors in heterostructures of functionalized 2D materials.

연구 동기 및 목표

• V_B⁻ 결함이 다중 물리적 매개변수에 대해 2D 헥사곤형 질화붕소(hBN)에서 센서 기능을 수행할 수 있는지 조사하기.
• V_B⁻의 ODMR 주파수 이격이 온도, 자장 및 압력에 동시에 반영될 수 있는지 확인하기.
• 관측된 스펙트럼 이격을 hBN의 결정 격자 상수 변화와 연결하기.
• V_B⁻를 2D 물질 이종구조에서 다기능성 내재 센서로 정립하기.

제안 방법

• V_B⁻ 결함에서의 스핀 전이를 탐지하기 위해 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 활용하기.
• 온도, 자장 및 적용 압력 변화 조건에서 ODMR 스펙트럼의 주파수 이격 측정하기.
• ODMR 주파수 이격을 hBN 결정 격자 상수 변화와 연관시키기.
• V_B⁻ 결함의 스핀 상태를 광학적으로 읽기 위해 스핀에 의존하는 형광(PL)을 사용하기.
• 온도(4 K에서 300 K까지), 자장(최대 1 T), 수압(최대 10 GPa)을 체계적으로 변화시키기.
• 스펙트럼 이격 분석을 통해 각 물리적 매개변수에 대한 감도 계수 추출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 V_B⁻ 결함이 동시에 온도, 자장 및 압력에 대한 서브-나노스케일 센서로 작용할 수 있는가?
• RQ2 자장 외의 영향을 받는 온도 및 압력 변화에 대해 V_B⁻의 ODMR 주파수 이격은 어떻게 반응하는가?
• RQ3 관측된 스펙트럼 이격이 hBN의 격자 상수 변화와 어느 정도 상관이 있는가?
• RQ4 외부 자기장이 없는 조건에서 V_B⁻의 온도 및 압력 변화에 대한 감도는 어느 정도인가?
• RQ5 V_B⁻는 2D 반데르발스 이종구조에서 내재된 다중 매개변수 센서로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• V_B⁻ 결함의 ODMR 주파수 이격은 온도 변화에 민감하며, 4 K에서 300 K 범위에서 약 1.2 MHz/K의 감도를 측정하였다.
• 동일한 ODMR 전이에서 수압에 따라 약 1.8 GHz/TPa의 주파수 이격이 관찰되어 고압에 대한 높은 감도를 나타낸다.
• ODMR 스펙트럼에 영향을 주는 온도 및 압력 효과는 주로 격자 응력과 대칭성 변화로 인한 스핀 분리 에너지 준위의 조절 때문이며, 이는 결정 격자 변화에 기인한다.
• 자기장에 대한 감도는 여전히 높으며, 제이만 분리 에너지가 약 2.8 MHz/mT로 이전 보고와 일치한다.
• 다중 매개변수에 대한 동시 반응 덕분에 단일 결함 중심을 이용한 다중 매개변수 센싱이 가능하다.
• 결과적으로 V_B⁻ 결함는 외부 도핑이나 통합 없이도 2D 이종구조에서 내재된 다기능 센서로 작용할 수 있음을 입증하였다.