PAM-XIAMEN kann SiC-Epitaxiewafer für die Farbzentrumsforschung liefern. Weitere Spezifikationen finden Sie unterhttps://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-epitaxie.html. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an das Vertriebsteam:victorchan@powerwaywafer.com.
Das Festkörper-Spin-Farbzentrum ist ein wichtiges System für die Quanteninformationsverarbeitung, und seine Fluoreszenzhelligkeit ist ein wichtiger Parameter für praktische Quantenanwendungen. Die Kopplung mit Festkörper-Mikro-/Nanostrukturen zur Erzielung einer Fluoreszenzverstärkung von Spinzentren ist eine häufig verwendete Methode. Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen und umgesetzt, darunter die Verarbeitung fester Infiltrationslinsen, Nanostäbe, Bull-Eye-Ringe, photonische Kristallmikrokavitäten und Glasfaserkavitäten. Allerdings gibt es in dieser Richtung noch viele herausfordernde Probleme, die angegangen werden müssen, wie etwa die Anfälligkeit der Spineigenschaften der Farbzentren gegenüber komplexen Mikro-/Nano-Herstellungsprozessen und die Schwierigkeit, Farbzentren an Mikro-/Nanostrukturen auszurichten.
1. Verstärkung der Fluoreszenz von SiC-Spinzentren durch Plasmonen
Forscher nutzen Plasmonen, um die Fluoreszenz von Spinzentren in Siliziumkarbid zu verstärken. Die Forschungsgruppe stellte SiC-Dünnfilme mit einer Dicke von etwa 10 µm durch Prozesse wie chemisch-mechanisches Polieren her und nutzte die Ionenimplantationstechnologie, um oberflächennahe (etwa 15 nm) Doppelleerstellen-Farbzentren in den Filmen zu präparieren. Anschließend wurde der dünne Film umgedreht und mithilfe von Van-der-Waals-Kräften auf einen Siliziumwafer geklebt, der mit koplanaren Goldwellenleitern beschichtet war. Dadurch konnte der Abstand zwischen dem oberflächennahen Farbzentrum und dem Goldwellenleiter in den Bereich der Oberflächenplasmonen fallen, wodurch die Fluoreszenz des Farbzentrums verstärkt wurde.
In früheren Arbeiten entdeckte die Forschungsgruppe zunächst, dass ein einzelnes PL6-Farbzentrum mit doppelter Leerstelle in Siliziumkarbid eine Lumineszenzhelligkeit und einen Spin-Auslesekontrast aufweist, die mit denen von Diamant-NV-Farbzentren bei Raumtemperatur vergleichbar sind [Natl. Wissenschaft. Rev. 9, nwab122 (2022)]. In dieser Arbeit wurde ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,85 verwendet und der Verstärkungseffekt von Oberflächenplasmonen genutzt, um eine siebenfache Steigerung der Helligkeit eines einzelnen PL6-Farbzentrums zu erreichen; Bei Verwendung eines Ölspiegels mit einer numerischen Apertur von 1,3 kann die Fluoreszenz des Farbzentrums 1 Million Zählimpulse pro Sekunde überschreiten. Das Forschungsteam nutzte auch reaktive Ionenätztechnologie, um die Dicke des Films zu regulieren, den Abstand zwischen dem oberflächennahen Farbzentrum und dem koplanaren Wellenleiter genau zu steuern und den optimalen Wirkungsbereich zu untersuchen. Neben der Erzeugung von Oberflächenplasmonen können koplanare Goldwellenleiter auch für eine effiziente Mikrowellenstrahlung verwendet werden, wodurch die Effizienz der Spinmanipulation erheblich verbessert wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrowellenstrahlungsmethoden erhöhen koplanare Wellenleiter die Rabi-Frequenz eines einzelnen PL6-Farbzentrums bei gleicher Mikrowellenleistung um das 14-fache. Der Versuchsaufbau und die Ergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt.
Abb. 1 Versuchsaufbau und Ergebnisdiagramm. (a) Schematische Darstellung eines Geräts, das auf der Verbesserung von Oberflächenplasmonen basiert; (b) Vergleich konfokaler Fluoreszenzscans mit und ohne verstärkte (linke) Bereiche der Plasmonresonanz; (c) Vergleich der gesättigten Fluoreszenzzahlen zwischen einem einzelnen durch Plasmonen verstärkten PL6-Farbzentrum und einem nicht verstärkten einzelnen PL6-Farbzentrum im Hauptmaterial; d) Vergleich der Rabi-Oszillationsfrequenzen, gemessen mit Goldwellenleitern und Kupferdrähten bei verschiedenen Mikrowellenleistungen.
2.RweiterforschenFlFluoreszenzEErweiterungMMechanismuseines einzelnen SiC-Spin-Farbzentrums
Die Forschungsgruppe führte auch eingehende Untersuchungen zum Mechanismus der Fluoreszenzverstärkung durch. Durch die Verwendung eines Drei-Ebenen-Modells zur Anpassung der Autokorrelationsfunktion und Messung der Lebensdauer nichtresonant angeregter Fluoreszenz konnte die Forschungsgruppe nicht nur verifizieren, dass Oberflächenplasmonen die Fluoreszenzhelligkeit erhöhen, indem sie die Strahlungsübergangsrate des Energieniveaus des Farbzentrums erhöhen, sondern auch feststellen, dass dies der Fall ist dass der Löscheffekt von Oberflächenplasmonen zu einer Abnahme der Fluoreszenzhelligkeit des Farbzentrums führt, wenn der Arbeitsabstand allmählich abnimmt.
Diese Arbeit ermöglicht erstmals eine Plasmonenverstärkung der oberflächennahen Spinfarbzentrumsfluoreszenz in SiC-Dünnfilmen. Die Herstellung koplanarer Goldwellenleiter ist einfach und erfordert keine komplexen Verstärkungsstrukturen und Ausrichtungsprozesse. Diese Methode eignet sich auch zur Fluoreszenzverstärkung anderer Spinzentren in Siliziumkarbid. Diese Technologie wird die Anwendung von SiC-Materialien im Quantenbereich stark vorantreiben.
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