[论文解读] A bubble-induced ultrastable and robust single-photon emitter in hexagonal boron nitride

Yi‐Tao Wang, Wei Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 4

一句话总结

本研究展示了一种在六方氮化硼（hBN）中由气泡诱导的单光子发射器（SPE），该发射器在环境条件下可实现超过一年的超稳定、无闪烁和无光致漂白的发射。该基于缺陷的SPE通过范德华气泡产生的局部应变被激活并稳定，且在压力循环下可实现可逆的光致发光调制，从而实现了适用于可扩展量子纳米光子学的坚固、室温量子发射。

ABSTRACT

Quantum emitters in van der Waals (vdW) materials have attracted lots of attentions in recent years, and shown great potentials to be fabricated as quantum photonic nanodevices. Especially, the single photon emitter (SPE) in hexagonal boron nitride (hBN) emerges with the outstanding room-temperature quantum performances, whereas the ubiquitous blinking and bleaching restrict its practical applications and investigations critically. The bubble in vdW materials exhibits the stable structure and can modify the local bandgap by strains on nanoscale, which is supposed to have the ability to fix this photostability problem. Here we report a bubble-induced high-purity SPE in hBN under ambient conditions showing stable quantum-emitting performances, and no evidence of blinking and bleaching for one year. Remarkably, we observe the nontrivial successive activating and quenching dynamical process of the fluorescent defects at the SPE region under low pressures for the first time, and the robust recoverability of the SPE after turning back to the atmospheric pressure. The pressure-tuned performance indicates the SPE origins from the lattice defect isolated and activated by the local strain induced from the bubble, and sheds lights on the future high-performance quantum sources based on hBN.

研究动机与目标

• 解决在环境条件下hBN基单光子发射器（SPE）存在的闪烁和光致漂白的关键限制。
• 研究范德华气泡产生的纳米尺度应变在稳定二维材料中量子发射器方面的作用。
• 展示一种具有长期光稳定性的坚固、高纯度SPE，适用于实际量子光子器件。
• 探索外部压力调制下缺陷相关发射器的动态行为，以实现可调谐量子发射。

提出的方法

• 利用六方氮化硼（hBN）中的本征气泡诱导局部应变，实现对纳米尺度带隙的调控。
• 采用低压与常压循环调制SPE的光致发光。
• 应用共聚焦显微光谱技术，长期监测SPE的发射稳定性和动力学行为。
• 确认SPE源自被气泡结构隔离并由应变激活的晶格缺陷。
• 利用压力调制探测荧光缺陷的可逆激活与猝灭，表明存在动态缺陷态转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 hBN中的气泡是否能在环境条件下诱导出抑制闪烁和光致漂白的稳定单光子发射器？
• RQ2 范德华气泡产生的局部应变如何影响hBN中缺陷的电子结构和光致发光？
• RQ3 SPE对外部压力的动态响应如何？其发射是否可实现可逆调制？
• RQ4 导致SPE的缺陷是否源自被气泡隔离并由应变激活的晶格缺陷？
• RQ5 SPE是否能在长时间内保持高纯度发射而不发生退化？

主要发现

• hBN中由气泡诱导的SPE在环境条件下连续超过一年无闪烁或光致漂白，表现出卓越的光稳定性。
• 在低压条件下观察到荧光缺陷的非平凡连续激活与猝灭过程，表明存在动态缺陷态调制。
• 当压力恢复至常压时，SPE的发射强度完全可恢复，证实了通过应变调制实现的可逆控制。
• 缺陷起源被归因于被气泡局部应变隔离并激活的晶格缺陷，其压力依赖行为已得到验证。
• 该系统在室温下保持高纯度单光子发射，适用于量子纳米光子学的实际应用。