電流誘導增強六方氮化硼中空位相關發射體的亮度

核心概念

通過結合光激發和電場控制，可以顯著增強六方氮化硼 (hBN) 中與空位相關的發射體的亮度，這一發現為利用此類缺陷進行量子信息處理開闢了新的途徑。

摘要

研究背景
六方氮化硼 (hBN) 作為一種很有前途的量子發射體主體材料，近年來備受關注。尤其是與空位相關的缺陷，例如由與碳取代相鄰的空位組成的缺陷，由於可能具有三重態基態和自旋守恆激發態，因此在量子信息處理方面顯示出巨大的潛力。然而，與在室溫下表現出高亮度的多碳取代缺陷（例如碳二聚體和三聚體）相比，與空位相關的缺陷卻因其低量子產率而聞名。事實上，迄今為止，與空位相關的缺陷的低亮度阻礙了二階關聯 (g(2)) 測量，因此也阻礙了對其單光子發射的明確確認。因此，人們對增強此類暗發射體亮度的方法非常感興趣。
研究方法
本研究使用少層石墨烯 (FLG) 門控的 hBN 樣品，通過在兩個 FLG 門之間施加柵極電壓 VG，在誘導的面外電場的影響下研究 hBN 中的發射體。通過同時測量流過 hBN 層的電壓誘導漏電流和記錄發射體的光致發光 (PL) 光譜，研究人員深入研究了暗 hBN 發射體的增白效應。
研究結果
研究發現，通過光激發和柵極電壓的相互作用，電荷載流子的光輔助注入是導致發射體增白的原因。在零柵極電壓下，兩個柵極的各自化學勢 µTG,BG 位於電荷中性點。在激光照射下 (E = 2.3 eV)，柵極電極中的電子從價帶激發到導帶，產生光激發電子和空穴。施加柵極電壓後，來自柵極電極的光激發電荷載流子會經歷光輔助場發射，進入 hBN 中存在的碳單體缺陷 (CB、CN) 態。這些缺陷可以根據碳原子是取代硼 (CB) 還是氮原子 (CN) 來形成施主態或受主態。
研究還發現，發射體增白效應相對於柵極電壓極性和由此產生的漏電流方向是不對稱的。這種不對稱性是樣品結構不對稱的直接結果。由於通過退火產生發射體的過程，hBN+ 中可能會產生未經處理的 hBN 層中不存在的額外空位複合物（例如，多空位或空位-取代缺陷）。這些缺陷可能缺乏輻射複合通道，或者由於靠近 FLG 電極而被淬滅，但它們在 hBN+ 中提供了額外的能態。重要的是，與在兩個 hBN 層中都存在的碳單體缺陷（產生單個施主或受主能態）相比，空位複合物可以在缺陷位置表現出在整個帶隙範圍內延伸的一系列佔據態和未佔據態的能級。
研究結論
本研究證明，V-C 型 hBN 發射體的強度可以通過光輔助電致發光進行調節。為此，必要的漏電流通過光輔助場發射從少層石墨烯柵極注入到 hBN 層中。研究提出，根據 hBN 層的摻雜水平，漏電流可以由電子和空穴組成，也可以僅由空穴組成。第一種情況導致電子-空穴對有可能在發射體的位置複合，從而使其變亮，而第二種情況導致發射體的低能級偶爾會被去佔據，從而導致發射體變得更暗。這些發現強調了對 hBN 晶體進行可靠基準測試以及精確控制其摻雜水平的必要性，以便通過電學方法控制 hBN 中暗量子發射體的亮度。

統計資料

發射體的零聲子線 (ZPL) 位於約 587 nm（2.11 eV）。
PSB 與 ZPL 的能量差約為 30 meV，遠低於亮發射體通常觀察到的 160 ± 20 meV 的典型能量間隔。
施加 200 µW 的激勵功率和約 500 nm 的激光光斑尺寸時，發射體的亮度非常低，僅高達約每秒 120 個計數。
在從 VG = 0 V 到 -9 V 的電壓範圍內，沒有觀察到強度增加。
在正電場值下，發射體強度現在降低，這與之前討論的強度增加形成對比。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Current-induced brightening of vacancy-related emitters in hexagonal boron nitride

by Corinne Stei... 於 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14152.pdf

深入探究

如何利用這項研究的發現來改進基於 hBN 的量子器件的設計和性能？

這項研究揭示了 hBN 材料中缺陷發光與電荷傳輸之間的複雜關係，並提供了一些可以應用於改進基於 hBN 量子器件設計和性能的關鍵見解：

精確控制摻雜類型和濃度： 研究表明，hBN 的摻雜類型（p 型或 n 型）顯著影響了發射體的亮度。通過精確控制 hBN 的摻雜，可以實現對發射體亮度的有效調節，從而提高量子器件的效率。例如，對於需要高亮度發射體的應用，可以通過調整摻雜濃度來最大化光輔助電致發光效應。
優化器件結構以提高電荷注入效率： 研究強調了電荷注入效率對於發射體亮度的重要性。通過優化器件結構，例如使用具有更高功函數的接觸材料或減小接觸電阻，可以提高電荷注入效率，進而增強發射體的亮度。
利用電場效應調控發射體： 研究證實了電場效應可以有效地調控 hBN 發射體的能量和亮度。這為開發基於電場效應的量子器件，例如單光子發射器和量子傳感器，提供了新的可能性。
選擇合適的激發波長和功率： 研究發現，光激發在光輔助電致發光效應中起著至關重要的作用。選擇合適的激發波長和功率可以優化發射體的亮度，並提高量子器件的性能。
總之，這項研究為設計和優化基於 hBN 的量子器件提供了重要的指導，例如單光子源、量子傳感器和量子信息處理器件。通過精確控制摻雜、優化器件結構和利用電場效應，可以顯著提高這些器件的性能。

是否存在其他可能影響 hBN 發射體亮度的因素，而本研究沒有考慮這些因素？

除了本研究探討的因素外，還有一些其他因素可能影響 hBN 發射體的亮度，但本研究並未考慮這些因素：

缺陷類型和濃度： hBN 中存在多種類型的缺陷，每種類型的缺陷都具有獨特的發光特性。缺陷的濃度也會影響發射體的亮度，因為高濃度的缺陷可能導致發光猝滅。
應力效應： hBN 材料中的應力會改變缺陷的能級結構，進而影響其發光特性。
溫度： 溫度會影響缺陷的激發和弛豫過程，從而影響發射體的亮度。
介電環境： hBN 發射體的介電環境會影響其輻射衰減率，進而影響其亮度。
表面效應： hBN 表面的缺陷和雜質會影響發射體的亮度，因為它們可以作為非輻射複合中心。
未來研究可以進一步探討這些因素對 hBN 發射體亮度的影響，以更全面地理解其發光機制。

這項研究的結果對於理解和控制其他二維材料中的缺陷有何更廣泛的意義？

這項研究的結果不僅限於 hBN，對於理解和控制其他二維材料中的缺陷也具有重要的指導意義：

缺陷發光與電荷傳輸的關聯： 研究表明，缺陷發光可以作為探測二維材料中電荷傳輸特性的有效工具。通過分析缺陷發光的變化，可以深入了解材料中的電荷注入、傳輸和複合過程。
摻雜效應： 研究強調了摻雜類型和濃度對於缺陷發光的重要影響。這一點對於其他二維材料同樣適用，因為摻雜可以改變缺陷的電荷狀態和能級結構，進而影響其發光特性。
電場效應： 研究證實了電場效應可以有效地調控缺陷發光。這為利用電場效應來控制其他二維材料中缺陷發光提供了新的思路。
總之，這項研究為理解和控制二維材料中的缺陷提供了一個新的視角，並為開發基於缺陷的新型光電器件和量子器件開闢了新的途徑。