Il carburo di silicio (SiC) è un materiale di ricerca caldo nel campo della tecnologia dell'informazione quantistica. Ad esempio, i posti vacanti di difetto nel SiC (composti da posti vacanti di silicio e posti vacanti di carbonio adiacenti, di seguito denominati VV) presentano molti vantaggi dei centri NV nel diamante, inclusi i tripli stati fondamentali e il vantaggio di una tecnologia di ricerca sui materiali principali matura. La localizzazione dei difetti materiali può, in linea di principio, essere localizzata su superfici o interfacce specifiche e la presenza di difetti è particolarmente importante per le applicazioni di rilevamento. In termini di integrazione con altri sistemi, la connessione tra difetti di spin e cavità fotoniche è stata proposta come un mezzo efficace di interazione tra fotoni e difetti di spin indirizzabili otticamente, che è una caratteristica chiave delle applicazioni di comunicazione quantistica. Ad esempio, il carburo di silicio politipo cubico (3C SiC) è stato utilizzato per costruire cavità fotoniche con fattori di alta qualità e ottenere l'incorporazione di difetti VV nel materiale. Il prerequisito per ottenere un'integrazione efficace di nanostrutture e materiali è studiare e comprendere i difetti di spin vicino alla superficie e all'interfaccia.

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I ricercatori hanno utilizzato i calcoli dei principi primi per studiare le proprietà fisiche dei posti vacanti dei difetti superficiali nel SiC 3C e hanno considerato superfici ricche di silicio (001) con varie ricostruzioni e terminazioni. Vicino alla superficie del SiC (2×1): H, VV è un difetto di spin stabile ed elastico con poche variazioni nelle caratteristiche rispetto ai difetti di massa. Inoltre, i risultati della ricerca sulla relazione funzionale tra difetti di spin (VSiVC) e ricostruzione superficiale e terminazione dei gruppi – H, – OH, – F e ossigeno nel SiC 3C indicano che il SiC 3C è un promettente materiale per applicazioni quantistiche.

Fig. 1 Struttura atomica della superficie 3C SiC (001) ricca di silicio. (2×1):modello H Come mostrato nella vista laterale, la struttura elettronica del difetto è studiata in funzione della sua vicinanza alla superficie: L2 è la posizione più vicina allo strato fisso, L3 è al centro dello strato fisso modello e L6 è la posizione più vicina alla superficie.

Fig. 2 Calcolo della struttura elettronica del doppio posto vacante neutro in L3 nel piano superficiale 3C SiC (001) ricco di silicio utilizzando funzionali PBE e HSE. I risultati indicano che ai livelli teorici PBE e HSE, tutti gli andamenti funzionali dei terminali di superficie sono gli stessi. Pertanto, la saturazione degli atomi di idrogeno sulla superficie ricostruita (2×1) porterà alla struttura superficiale più promettente.

Fig. 3 Differenza di energia (eV) tra VV 3C-SiC sfuso e VV vicino alla superficie sotto funzionale PBE

Fig. 4 Calcolo dell'affinità elettronica superficiale (EA) della superficie ricca di silicio ricco di (2×1) (001) carburo di silicio (2×1)

Considerando la rottura di simmetria introdotta dalla superficie, è fondamentale comprenderne l'impatto sui valori dei componenti del tensore ZFS (Zero Field Splitting). Nella Tabella 2, questo articolo riporta i componenti ZFS calcolati di VV per quattro diversi terminali di superficie situati al centro del modello (2×1) (L3). La componente E della suddivisione del campo zero ha una sensibilità significativa alla posizione dei difetti rispetto alla superficie, indicando che questo parametro può essere utilizzato come indicatore della vicinanza del difetto alla superficie. Infine, studi qualitativi sul volume e sul fattore Debye Waller (DWF) della superficie indicano che la diminuzione del DWF superficiale può essere alleviata attraverso l'ingegneria della deformazione dei campioni SiC.

Fig. 5 Componenti di calcolo D ed E dei tensori ZFS (Zero Field Splitting) per stati fondamentali VV 3C SiC sfusi e vicini alla superficie neutri con diverse terminazioni superficiali

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