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

Andreas Gottscholl, Matthias Diez+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文证明，二维六方氮化硼（hBN）中的负电荷硼空位（V_B⁻）可作为温度、磁场和压力的亚纳米尺度传感器。利用其高自旋三重态基态和自旋依赖的光致发光特性，作者表明，光学探测磁共振（ODMR）频率偏移可通过晶格参数变化与温度和压力变化相关联，从而实现在原子尺度上的多参数传感。

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.

研究动机与目标

• 研究 V_B⁻ 缺陷在二维六方氮化硼（hBN）中对多种物理参数的传感能力。
• 确定 V_B⁻ 中 ODMR 频率偏移是否能同时反映温度、磁场和压力的变化。
• 将观测到的光谱偏移与 hBN 晶体晶格参数的变化相关联。
• 确立 V_B⁻ 作为二维异质结构中多功能本征传感器的地位。

提出的方法

• 利用光学探测磁共振（ODMR）技术探测 hBN 中 V_B⁻ 缺陷的自旋跃迁。
• 在不同温度、磁场和施加压力条件下测量 ODMR 光谱中的频率偏移。
• 将 ODMR 频率偏移与 hBN 晶体晶格参数的变化相关联。
• 利用自旋依赖的光致发光（PL）光学读出 V_B⁻ 缺陷的自旋态。
• 系统性地改变温度（4 K 至 300 K）、磁场（最高 1 T）和静水压力（最高 10 GPa）。
• 分析光谱偏移以提取各物理参数的灵敏度系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 V_B⁻ 缺陷能否在 hBN 中同时作为温度、磁场和压力的亚纳米尺度传感器？
• RQ2 除了磁场效应外，V_B⁻ 中 ODMR 频率偏移对温度和压力变化的响应机制如何？
• RQ3 观测到的光谱偏移与 hBN 晶格参数变化的相关性有多大？
• RQ4 在无外部磁场条件下，V_B⁻ 对温度和压力变化的灵敏度如何？
• RQ5 V_B⁻ 能否用作二维范德华异质结构中的本征多参数传感器？

主要发现

• V_B⁻ 缺陷在 hBN 中的 ODMR 频率偏移对温度变化敏感，在 4 K 至 300 K 范围内测得灵敏度约为 1.2 MHz/K。
• 相同的 ODMR 跃迁表现出约 1.8 GHz/TPa 的压力依赖性偏移，表明对静水压力具有高灵敏度。
• 温度和压力对 ODMR 光谱的影响归因于晶体晶格的变化，特别是晶格应变和对称性变化，这些因素调制了自旋分裂能级。
• 磁场敏感性依然很强，塞曼分裂约为 ~2.8 MHz/mT，与先前报道一致。
• 对多种参数的同步响应使得仅通过一个缺陷中心即可实现多参数传感。
• 结果表明，V_B⁻ 缺陷可在无外部掺杂或集成的情况下，作为二维异质结构中的本征多功能传感器发挥作用。