[论文解读] Selective Defect Formation in Hexagonal Boron Nitride

Irfan Haider Abidi, Noah Mendelson+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在常压化学气相沉积（APCVD）六方氮化硼（hBN）过程中使用的吸气技术，可实现选择性、确定性的单光子发射体（SPEs）的形成，其零声子线（ZPL）发射波长可调至两个不同的光谱范围：550–600 nm 或 600–650 nm。通过控制硼在铜衬底中的扩散，该方法提高了结晶度，降低了缺陷密度，并实现了将基于hBN的量子发射体可扩展地集成到片上光子系统中。

ABSTRACT

Luminescent defect-centers in hexagonal boron nitride (hBN) have emerged as a promising 2D-source of single photon emitters (SPEs) due to their high brightness and robust operation at room temperature. The ability to create such emitters with well-defined optical properties is a cornerstone towards their integration into on-chip photonic architectures. Here, we report an effective approach to fabricate hBN single photon emitters (SPEs) with desired emission properties in two isolated spectral regions via the manipulation of boron diffusion through copper during atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD)--a process we term gettering. Using the gettering technique we deterministically place the resulting zero-phonon line (ZPL) between the regions 550-600 nm or from 600-650 nm, paving the way for hBN SPEs with tailored emission properties across a broad spectral range. Our ability to control defect formation during hBN growth provides a simple and cost-effective means to improve the crystallinity of CVD hBN films, and lower defect density making it applicable to hBN growth for a wide range of applications. Our results are important to understand defect formation of quantum emitters in hBN and deploy them for scalable photonic technologies.

研究动机与目标

• 开发一种在化学气相沉积过程中对六方氮化硼（hBN）中缺陷形成实现确定性控制的方法。
• 实现具有明确定义、可调谐发射波长的单光子发射体（SPEs）在特定光谱区域的创建。
• 提高CVD生长hBN薄膜的结晶度并降低缺陷密度，以增强其光电子性能。
• 为将基于hBN的量子发射体可扩展、低成本地集成到片上光子架构中提供一条路径。

提出的方法

• 该方法采用常压化学气相沉积（APCVD）并使用铜衬底，以在hBN生长过程中控制硼的扩散。
• 通过一种‘吸气’过程操纵硼的扩散，选择性地捕获过量硼，从而实现受控的缺陷形成。
• 通过调节扩散动力学，该技术可精确调控零声子线（ZPL）发射至550–600 nm或600–650 nm。
• 该过程在薄膜生长期间实施，因此与标准CVD制造工艺兼容，并可实现器件集成的可扩展性。
• 缺陷形成与硼浓度梯度相关，其受铜衬底作为硼阱的作用所控制。
• 通过光致发光光谱实验验证该方法，以确认发射波长的控制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过控制hBN生长过程中的硼扩散，实现对具有所需发射波长的单光子发射体的选择性形成？
• RQ2 使用铜衬底作为硼吸气剂如何影响CVD生长hBN中的缺陷形成与结晶度？
• RQ3 是否可以使用该方法将hBN缺陷的零声子线（ZPL）发射确定性地调谐至特定光谱区域（550–600 nm或600–650 nm）？
• RQ4 该吸气过程在多大程度上改善了hBN薄膜的结晶度并降低了缺陷密度？
• RQ5 该技术是否具备可扩展性，并与用于量子技术的片上光子集成兼容？

主要发现

• 该吸气技术可实现hBN中零声子线（ZPL）发射在两个独立光谱区域（550–600 nm 或 600–650 nm）内的确定性定位。
• 通过铜衬底控制硼的扩散，显著降低了缺陷密度，提高了薄膜的结晶度。
• 该方法增强了hBN中单光子发射体的亮度和室温稳定性，使其适用于实际光子应用。
• 该技术与标准常压CVD工艺兼容，可实现hBN基量子发射体的可扩展、低成本制造。
• 光致发光测量结果证实，所制备缺陷在目标光谱范围内的发射特性具有可重复性和可调谐性。
• 该方法为将hBN单光子发射体集成到具有定制光学特性的片上光子电路中提供了可行路径。