Siliziumkarbid (SiC) ist ein heißes Forschungsmaterial im Bereich der Quanteninformationstechnologie. Beispielsweise haben Defektstellen in SiC (bestehend aus Silizium-Leerstellen und angrenzenden Kohlenstoff-Leerstellen, im Folgenden als VV bezeichnet) viele Vorteile von NV-Zentren in Diamant, einschließlich dreifacher Grundzustände und den Vorteil einer ausgereiften Hauptmaterialforschungstechnologie. Der Ort von Materialfehlern kann grundsätzlich auf bestimmten Oberflächen oder Grenzflächen lokalisiert werden, und das Vorhandensein von Fehlern ist für Sensoranwendungen besonders wichtig. Im Hinblick auf die Integration mit anderen Systemen wurde die Verbindung zwischen Spindefekten und photonischen Hohlräumen als wirksames Mittel zur Wechselwirkung zwischen Photonen und optisch adressierbaren Spindefekten vorgeschlagen, was ein Schlüsselmerkmal von Quantenkommunikationsanwendungen ist. Beispielsweise wurde kubisches Polytyp-Siliziumkarbid (3C SiC) verwendet, um photonische Hohlräume mit hohen Qualitätsfaktoren zu konstruieren und den Einbau von VV-Defekten in das Material zu erreichen. Voraussetzung für eine effektive Integration von Nanostrukturen und Materialien ist die Untersuchung und das Verständnis von Spindefekten in der Nähe der Oberfläche und Grenzfläche.

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Die Forscher nutzten First-Prinzipien-Berechnungen, um die physikalischen Eigenschaften oberflächennaher Defektstellen in 3C-SiC zu untersuchen, und betrachteten siliziumreiche (001)-Oberflächen mit verschiedenen Rekonstruktionen und Abschlüssen. In der Nähe der Oberfläche von SiC (2×1): H, VV handelt es sich um einen stabilen und elastischen Spindefekt mit geringen Variationen in den Eigenschaften im Vergleich zu Massendefekten. Darüber hinaus deuten die Forschungsergebnisse zum funktionellen Zusammenhang zwischen Spindefekten (VSiVC) und der Oberflächenrekonstruktion und Terminierung von – H, – OH, – F und Sauerstoffgruppen in 3C SiC darauf hin, dass 3C SiC ein vielversprechendes Quantenanwendungsmaterial ist.

Abb. 1 Atomstruktur der siliziumreichen 3C SiC (001)-Oberfläche. (2×1):H-Modell Wie in der Seitenansicht gezeigt, wird die elektronische Struktur des Defekts als Funktion seiner Nähe zur Oberfläche untersucht: L2 ist die Position, die der festen Schicht am nächsten liegt, L3 befindet sich in der Mitte Modell und L6 ist die Position, die der Oberfläche am nächsten liegt.

Abb. 2 Berechnung der elektronischen Struktur der neutralen Doppelleerstelle bei L3 in der oberflächensiliziumreichen 3C SiC (001)-Ebene unter Verwendung von PBE- und HSE-Funktionen. Die Ergebnisse zeigen, dass auf den theoretischen Ebenen PBE und HSE alle Funktionstrends von Oberflächenterminals gleich sind. Daher führt die Sättigung der Wasserstoffatome auf der rekonstruierten (2×1)-Oberfläche zur vielversprechendsten Oberflächenstruktur.

Abb. 3 Energieunterschied (eV) zwischen der VV von 3C-SiC in der Masse und der VV in der Nähe der Oberfläche unter PBE-Funktion

Abb. 4 Berechnung der Oberflächenelektronenaffinität (EA) einer (2×1) (001)-reichen Siliziumkarbidoberfläche (2×1).

Angesichts der durch die Oberfläche verursachten Symmetriebrechung ist es wichtig, deren Auswirkungen auf die Tensorkomponentenwerte der Nullfeldaufspaltung (ZFS) zu verstehen. In Tabelle 2 gibt dieser Artikel die berechneten ZFS-Komponenten von VV für vier verschiedene Oberflächenterminals an, die sich in der Mitte des (2×1)-Modells (L3) befinden. Die E-Komponente der Nullfeldaufspaltung weist eine erhebliche Empfindlichkeit gegenüber der Position von Defekten relativ zur Oberfläche auf, was darauf hindeutet, dass dieser Parameter als Indikator für die Defektnähe zur Oberfläche verwendet werden kann. Schließlich deuten qualitative Studien zum Volumen- und Oberflächen-Debye-Waller-Faktor (DWF) darauf hin, dass die Abnahme des Oberflächen-DWF durch Dehnungstechnik von SiC-Proben gemildert werden kann.

Abb. 5 Berechnungskomponenten D und E von Zero Field Splitting (ZFS)-Tensoren für 3C-SiC-Volumen und oberflächennahe neutrale VV-Grundzustände mit unterschiedlichen Oberflächenabschlüssen

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