Центры окраски карбида кремния
Центры окраски карбида кремния — это точечные дефекты кристаллической решетки карбида кремния , которые известны как центры окраски. Эти центры окраски имеют множество применений, некоторые из которых используются в фотонике, полупроводниках и квантовых приложениях, таких как метрология и квантовая связь . Дефекты материалов имеют множество применений, но причина, по которой дефекты или центры окраски в карбиде кремния значительны, связана со многими важными свойствами этих центров окраски. Карбид кремния как материал обладает нелинейностью второго порядка, а также оптической прозрачностью и низким двухфотонным поглощением. Это делает карбид кремния жизнеспособной альтернативной платформой для многих вещей, включая, помимо прочего, нанопроизводство, интегрированную квантовую фотонику и квантовые системы в крупномасштабных пластинах. [ 1 ]
Изготовление
[ редактировать ]Существует в основном три метода изготовления центров окраски карбида кремния. [ 2 ] Три метода — это электронное облучение, инжекция ионов и фемтосекундная лазерная запись.
Электронное облучение
[ редактировать ]Этот метод работает путем воздействия на материал сильно ионизирующего электронного луча. Это выбивает электроны в самом материале, что приводит к образованию центров окраски (или дефектов). [ 3 ] Однако этот процесс требует большого количества энергии: 9 МэВ обычно является нижним пределом энергии в большинстве материалов. [ 3 ]
Ионная инъекция
[ редактировать ]Инъекция ионов обычно используется для легирования полупроводников, но ее также можно использовать для создания центров окраски. Ион сначала ускоряется до определенной энергии, обычно в диапазоне МэВ. Затем этот ион ускоряется в материале, который затем имплантирует ион в материал, изменяя состав материала, что может создать центр цвета. [ 4 ]
Фемтосекундное лазерное письмо
[ редактировать ]Используя процесс нелинейной лазерной записи и соответствующую коррекцию аберраций, дефекты можно создавать на любой глубине кристалла. Этот процесс сохраняет свойства спиновой и оптической когерентности. [ 5 ] [ 6 ] Он работает за счет многофотонной ионизации фемтосекундного лазерного процесса. Этот метод изготовления дефектов работает не только для карбида кремния, но и для других материалов. [ 7 ]
Другими типами изготовления дефектов являются нейтронное облучение , протонное облучение и сфокусированные пучки кремния. [ 1 ]
В настоящее время [ когда? ] Также экспериментируются новые методы изготовления, чтобы попытаться уменьшить используемую энергию или усложнить процесс. Одним из новых методов является новый метод использования метода лазерной записи с помощью наносекундного лазера. [ 2 ]
Виды дефектов
[ редактировать ]В карбиде кремния существует несколько типов дефектов, некоторые из которых перечислены ниже: [ нужны разъяснения ]
- Ты в (-) (ТВ1-ТВ3)
- В си В С (0)
- ДВ (0)
- Кай5
- CAV (пара углерода антиучасток-вакансия)
- Карбид кремния (Д 1 )
- Н Ц В Си (-)
Центры окраски переходных металлов:
- ИЗ (0)
- Кр 3+
- V (-) , V (0)
- Мо (0)
- Является 3+
Были проведены исследования TV1 в качестве кубита , который обеспечивал лучший интерфейс спин-фотон, чем TV2. [ 8 ] [ 9 ] Однако в последнее время роль V si (-) поскольку кубит был полностью идентифицирован. [ 10 ]
Приложения
[ редактировать ]Фотоника
[ редактировать ]Недавно [ когда? ] Эти центры окраски в карбиде кремния обещают стать одними из лучших однофотонных излучателей для неклассических источников света. [ 11 ] Традиционно ослабленные лазеры заменяли однофотонные источники . Это работает для квантовой криптографии , но они являются частичной заменой, и в конечном итоге это не замена однофотонным источникам, поскольку они не производят одиночные фотоны. [ 11 ] Обычно существует два основных метода генерации одиночных фотонов: спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты и эпитаксиальные квантовые точки . [ нужна ссылка ]
При спонтанном параметрическом понижающем преобразовании одиночные фотоны могут рождаться со скоростью до 10 6 фотонов в секунду. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 11 ] Недостаток этого подхода заключается в том, что нет возможности генерировать одиночные фотоны по требованию. Это затрудняет практическое использование этого типа генерации. [ нужна ссылка ]
Показано, что эпитаксиальные квантовые точки генерируют одиночные фотоны исключительно при электрической накачке. Однако это работает при очень низких температурах, что также затрудняет практическую реализацию этих приложений в экспериментах. [ 11 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
Центры окраски в карбиде кремния, алмазах и других родственных материалах были бы более практичными, чем два других традиционных подхода, из-за более высокой температуры, при которой они могут работать при оптической и электрической накачке. [ 11 ]
Полупроводники
[ редактировать ]Карбид кремния в настоящее время уже используется в полупроводниковой промышленности из-за того, что он принадлежит к семейству материалов, называемых дополнительными материалами, совместимыми с металл-оксид-полупроводник, а также из-за его надежности при изготовлении высококачественных монокристаллических пластин. [ 1 ] Поскольку полупроводники по определению уже имеют точечные дефекты, некоторые из них можно использовать для таких целей, как источники одиночных фотонов. [ нужна ссылка ]
Квантовые свойства центров окраски карбида кремния
[ редактировать ]При исследовании на уровне одиночного дефекта одиночные эмиттеры могут быть изолированы. В результате центры окраски из карбида кремния могут использоваться для приложений в протоколах квантовой криптографии. [ 1 ] Одним из примеров этого было исследование центров азотных вакансий в алмазах в 2014 году, которые похожи на центры окраски в карбиде кремния, которые продемонстрировали новые результаты о том, как в алмазах азотные вакансии являются центрами окраски, которые также являются флуоресцентными примесями, которые иметь много приложений [ 18 ]
Квантовая запутанность между электронным спиновым состоянием и однофотонным квантовым состоянием возникает при выполнении двух условий:
- Квантовое состояние одиночного фотона можно соотнести с электронным спиновым состоянием центров окраски карбида кремния.
- Эта корреляция может храниться в близлежащих ядерных спинах в центрах окраски.
Эта квантовая запутанность позволяет создавать квантовые сети, что приводит к квантовой связи, квантовой памяти и метрологии. [ 1 ]
Квантовое зондирование
[ редактировать ]Когда центры окраски впервые переводятся в возбужденное состояние, фотон может испуститься в результате распада из возбужденного состояния в основное состояние . Этот фотон затем может взаимодействовать с другими источниками статических и переменных магнитных полей. В результате этого изменяются частота спинового перехода и время когерентности , что затем используется в квантовом зондировании . [ 1 ]
Сравнение с центрами окраски алмазов
[ редактировать ]Большая часть исследований центров окраски изначально проводилась с использованием алмаза вместо карбида кремния. Для сравнения, вакансия азота в алмазе имеет квантовые свойства, аналогичные дивакансии в карбиде кремния. Вакансия алмаза потенциально имеет лучшие квантовые свойства, чем карбид кремния, но одним из основных преимуществ карбида кремния и его центров окраски является повышенная масштабируемость и большая простота производства по сравнению с алмазом. Кроме того, карбид кремния не подвержен таким осложнениям в производстве, как графитизация во время облучения, которая возможна при производстве центров окраски алмазов. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Кастеллетто, Стефания; Боретти, Альберто (01 апреля 2020 г.). «Центры окраски карбида кремния для квантовых приложений» . Физический журнал: Фотоника . 2 (2): 022001. Бибкод : 2020JPhP....2b2001C . дои : 10.1088/2515-7647/ab77a2 . ISSN 2515-7647 . S2CID 214158020 .
- ^ Jump up to: а б Хуан, Цею; Хуан, Кун; Ченг, Лин; Цюй, Шуай; Ран, Гуйхао; Мао, Сяобяо (21 ноября 2022 г.). «Изготовление и обнаружение центров окраски карбида кремния на основе наносекундной лазерной технологии» . Журнал российских лазерных исследований . 43 (6): 708–714. дои : 10.1007/s10946-022-10098-3 . ISSN 1071-2836 . S2CID 253784844 .
- ^ Jump up to: а б Идрис, Сарада; Газали, Зулькафли; Хашим, Сити Аиаса; Ахмад, Шамшад; Джусо, Мохд Сухайми (2012). Электронно-лучевое облучение драгоценных камней для улучшения цвета . Американский институт физики. Куала-Лумпур, Малайзия. стр. 197–199. дои : 10.1063/1.4757464 . 1482.
- ^ Лагомарсино, С.; Флатэ, AM; Камбалатмана, Х.; Следз, Ф.; Хунольд, Л.; Солтани, Н.; Ройшел, П.; Скиортино, С.; Джелли, Н.; Масси, М.; Челюсняк, К.; Джунтини, Л.; Ажио, М. (14 января 2021 г.). «Создание кремниево-вакансионных центров окраски в алмазе методом ионной имплантации» . Границы в физике . 8 : 601362. Бибкод : 2021FrP.....8..626L . дои : 10.3389/fphy.2020.601362 . hdl : 2158/1244714 . ISSN 2296-424X .
- ^ Чен, Ю-Чен; Гриффитс, Бенджамин; Венг, Лайи; Никли, Шеннон С.; Измаил, Шазеа Н.; Лехай, Яшна; Джонсон, Сэм; Стивен, Колин Дж.; Грин, Бен Л.; Морли, Гэвин В.; Ньютон, Марк Э.; Бут, Мартин Дж.; Солтер, Патрик С.; Смит, Джейсон М. (20 мая 2019 г.). «Лазерная запись отдельных дефектов азотных вакансий в алмазе с выходом, близким к единице» . Оптика . 6 (5): 662. arXiv : 1807.04028 . Бибкод : 2019Оптика...6..662C . дои : 10.1364/OPTICA.6.000662 . ISSN 2334-2536 . S2CID 119475807 .
- ^ Чен, Ю-Чен; Солтер, Патрик С.; Нитхаммер, Матиас; Видманн, Матиас; Кайзер, Флориан; Надь, Роланд; Мориока, Наоя; Бабин, Чарльз; Эрлекампф, Юрген; Бервиан, Патрик; Бут, Мартин Дж.; Врахтруп, Йорг (10 апреля 2019 г.). «Лазерная запись масштабируемых одноцветных центров в карбиде кремния» . Нано-буквы . 19 (4): 2377–2383. Бибкод : 2019NanoL..19.2377C . дои : 10.1021/acs.nanolett.8b05070 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 30882227 . S2CID 81980022 .
- ^ Куррол, Лилия Коронато; Самад, Рикардо Эльгул; Гомес, Лаэрсио; Раньери, Изильда Марсия; Бальдочи, Соня Лисия; Занарди де Фрейтас, Андерсон; Виейра, Нильсон Диас (9 января 2004 г.). «Получение центров окраски фемтосекундным импульсным лазерным излучением в кристаллах LiF» . Оптика Экспресс . 12 (2): 288–293. Бибкод : 2004OExpr..12..288C . дои : 10.1364/OPEX.12.000288 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19471536 .
- ^ Надь, Роланд; Нитхаммер, Матиас; Видманн, Матиас; Чен, Ю-Чен; Удвархели, Питер; Бонато, Кристиан; Хасан, Джавад Ул; Карху, Робин; Иванов Иван Георгиевич; Сын, Нгуен Тьен; Мейз, Джером Р.; Осима, Такеши; Сойкал, Оний О.; Гали, Адам; Ли, Сан-Юн (26 апреля 2019 г.). «Высокоточное спиновое и оптическое управление одиночными кремниево-вакансионными центрами в карбиде кремния» . Природные коммуникации . 10 (1): 1810.10296 : 1954.arXiv . Бибкод : 2019NatCo..10.1954N дои : 10.1038/ s41467-019-09873-9 ISSN 2041-1723 . ПМК 6486615 . ПМИД 31028260 .
- ^ Надь, Роланд; Видманн, Матиас; Нитхаммер, Матиас; Дасари, Дурга, БР; Герхардт, Дети; Сойкал, Оний О.; Радуласки, ВМФ; Осима, Такеши; Вучкович, Елена; Сын, Нгуен Тьен; Иванов Иван Георгиевич; Эконому, София Э .; Бонато, Кристиан; Ли, Сан-Юн; Врахтруп, Йорг (23 марта 2018 г.). «Квантовые свойства дихроичных вакансий кремния в карбиде кремния» . Прикладной физический обзор . 9 (3): 034022.arXiv : 1707.02715 . Бибкод : 2018PhRvP... 9c4022N doi : 10.1103/PhysRevApplied.9.034022 . ISSN 2331-7019 . S2CID 53484272 .
- ^ Ивади, Виктор; Дэвидссон, Джоэл; Сын, Нгуен Тьен; Осима, Такеши; Абрикосов Игорь А.; Гали, Адам (27 октября 2017 г.). «Идентификация кубитов комнатной температуры, связанных с вакансиями Si, в карбиде кремния 4 H» . Физический обзор B . 96 (16): 161114. arXiv : 1708.06259 . Бибкод : 2017PhRvB..96p1114I . дои : 10.1103/PhysRevB.96.161114 . ISSN 2469-9950 . S2CID 6668026 .
- ^ Jump up to: а б с д и Храмцов Игорь А.; Федянин Дмитрий Юрьевич. (06 марта 2021 г.). «Источники одиночных фотонов на основе новых центров окраски в карбидокремниевых P – I – N-диодах: сочетание теории и эксперимента» . Нано-микробуквы . 13 (1): 83. Бибкод : 2021NML....13...83K . дои : 10.1007/s40820-021-00600-y . ISSN 2311-6706 . ПМК 8006472 . ПМИД 34138328 .
- ^ Монто, Никола; Сансони, Линда; Мейер-Скотт, Эван; Рикен, Раймунд; Квиринг, Виктор; Херрманн, Харальд; Силберхорн, Кристина (22 августа 2017 г.). «Высокоэффективный автоматический источник заявленных одиночных фотонов» . Применена физическая проверка . 8 (2): 024021. arXiv : 1701.04229 . Бибкод : 2017PhRvP...8b4021M . doi : 10.1103/PhysRevApplied.8.024021 . ISSN 2331-7019 . S2CID 690463 .
- ^ Го, Сян; Цзоу, Чан-лин; Шук, Карстен; Юнг, Ходжун; Ченг, Жишэн; Тан, Хун Икс (07 ноября 2017 г.). «Параметрический источник фотонных пар с понижающим преобразованием на нанофотонном чипе» . Свет: наука и приложения . 6 (5): e16249. arXiv : 1603.03726 . Бибкод : 2016LSA.....6E6249G . дои : 10.1038/lsa.2016.249 . ISSN 2047-7538 . ПМК 6062195 . ПМИД 30167250 .
- ^ Каспани, Люсия; Сюн, Чунлэ; Эгглтон, Бенджамин Дж; Баджони, Даниэле; Лискидини, Марко; Галли, Маттео; Морандотти, Роберто; Мосс, Дэвид Дж. (6 июня 2017 г.). «Интегральные источники квантовых состояний фотонов на основе нелинейной оптики» . Свет: наука и приложения . 6 (11): е17100. Бибкод : 2017LSA.....6E7100C . дои : 10.1038/lsa.2017.100 . ISSN 2047-7538 . ПМК 6062040 . ПМИД 30167217 .
- ^ Бакли, Соня; Ривуар, Келли; Вучкович, Елена (01 декабря 2012 г.). «Инженерные однофотонные источники на квантовых точках» . Отчеты о прогрессе в физике . 75 (12): 126503. arXiv : 1210.1234 . Бибкод : 2012РПФ...75л6503Б . дои : 10.1088/0034-4885/75/12/126503 . ISSN 0034-4885 . ПМИД 23144123 . S2CID 14389032 .
- ^ Сенелларт, Паскаль; Соломон, Гленн; Уайт, Эндрю (07 ноября 2017 г.). «Высокоэффективные полупроводниковые источники однофотонных квантовых точек» . Природные нанотехнологии . 12 (11): 1026–1039. Бибкод : 2017НатНа..12.1026С . дои : 10.1038/nnano.2017.218 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 29109549 .
- ^ Дешпанде, Сания; Фрост, Томас; Хазари, Арнаб; Бхаттачарья, Паллаб (6 октября 2014 г.). «Однофотонное излучение с электрической накачкой при комнатной температуре из одной квантовой точки InGaN/GaN» . Письма по прикладной физике . 105 (14): 141109. Бибкод : 2014ApPhL.105n1109D . дои : 10.1063/1.4897640 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Ширхагль, Романа; Чанг, Кевин; Лорец, Майкл; Деген, Кристиан Л. (01 апреля 2014 г.). «Азотно-вакансионные центры в алмазе: наноразмерные датчики для физики и биологии» . Ежегодный обзор физической химии . 65 (1): 83–105. Бибкод : 2014ARPC...65...83S . doi : 10.1146/annurev-physchem-040513-103659 . ISSN 0066-426X . ПМИД 24274702 .