[论文解读] Photoluminescence of lead-related optical centers in single-crystal diamond

S. Ditalia Tchernij, Tobias Lühmann+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 48被引用 33

一句话总结

本研究通过铅离子注入与热退火，在单晶金刚石中成功制备了稳定的铅相关色心，实现了在552.1 nm和556.8 nm处的强光致发光，且在535–700 nm范围内存在额外的发射谱线。光致发光强度与Pb注入通量的相关性以及在C离子对照组中无此现象，证实了发光源于Pb，表明其在量子光学器件中具有潜在应用价值。

ABSTRACT

We report on the creation and characterization of Pb-related color centers in diamond upon ion implantation and subse- quent thermal annealing. Their optical emission in photoluminescence (PL) regime consists of an articulated spectrum with intense emission peaks at 552.1 nm and 556.8 nm, accompanied by a set of additional lines in the 535700 nm range. The attribution of the PL emission to stable Pb-based defects is corroborated by the correlation of its intensity with the implantation fluence of Pb ions, while none of the reported features is observed in reference samples implanted with C ions. Furthermore, PL measurements performed as a function of sample temperature (143-300 K range) and un- der different excitation wavelengths (532 nm, 514 nm, 405 nm) suggest that the complex spectral features observed in Pb-implanted diamond might be related to a variety of different defects and/or charge states. This work follows from previous reports on optically active centers in diamond based on group IV impurities, such as Si, Ge and Pb. In perspective, a comprehensive study of this set of defect complexes could bring significant insight on the common features involved in their formation and opto-physical properties, thus offering a solid basis for the devel- opment of a new generation of quantum-optical devices.

研究动机与目标

• 研究通过离子注入与退火在单晶金刚石中形成铅相关色心的机理及其光学性质。
• 确定离子注入后观察到的光致发光特征的来源。
• 通过光致发光强度与Pb注入通量的相关性，确认铅在发光中的作用。
• 通过与C离子注入的对照样品比较，区分Pb相关缺陷与其他杂质的影响。
• 探索基于Pb的缺陷作为量子光学器件候选材料的潜力。

提出的方法

• 在高质量单晶金刚石衬底中，以受控通量注入铅离子。
• 注入后进行热退火，以激活并稳定所形成的缺陷。
• 采用多种激发波长（532 nm、514 nm、405 nm）进行光致发光光谱测量，以表征发射特性。
• 在143–300 K范围内进行温度依赖性光致发光测量，以评估热稳定性和缺陷能级跃迁行为。
• 将Pb注入样品与C离子注入的对照样品的光致发光谱进行比较，以分离出Pb特异性特征。
• 对535–700 nm波段的光谱特征进行分析，以识别多个发射谱线及可能的电荷态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在离子注入与退火后，形成的铅相关色心的光致发光特性是什么？
• RQ2 观察到的发射谱线的光致发光强度与注入Pb离子的通量之间有何相关性？
• RQ3 观察到的光学特征是否仅出现在Pb注入样品中，还是在C离子注入的对照组中也存在？
• RQ4 温度和激发波长在调控铅相关缺陷发射光谱中的作用是什么？
• RQ5 能否从复杂的光谱特征中识别出多个不同的缺陷构型或电荷态？

主要发现

• 在Pb注入的金刚石中观察到552.1 nm和556.8 nm处的强光致发光峰，且在535–700 nm范围内存在额外的发射谱线。
• 主要发射特征的光致发光强度与Pb离子注入通量呈线性关系，证实其源于Pb相关缺陷。
• 在C离子注入的对照样品中，535–700 nm范围内未观察到显著的发射特征，证实所观察到的发光具有Pb特异性。
• 温度依赖性光致发光测量显示，在143 K至300 K之间光谱发生明显演化，表明存在多个缺陷能级或电荷构型。
• 激发波长依赖性（532 nm、514 nm、405 nm）进一步支持Pb相关缺陷体系中存在多种缺陷种类或跃迁过程。
• 复杂的光谱结构表明，金刚石晶格中可能存在多种不同的Pb基缺陷构型或电荷态共存。