碳化硅色心的制备与量子调控

发布时间：2020-11-13 16:22

　　 碳化硅是一种广泛应用于微电子、航天航空、大功率器件等行业的宽禁带半导体材料。碳化硅具有成熟的单晶生长、微纳加工和掺杂等技术。近几年,碳化硅色心因具有近红外荧光辐射、长自旋相干时间以及易于集成等优点吸引了越来越多的关注,并得到快速发展。与金刚NV色心一样,碳化硅色心可以在量子计算、量子通信、量子精密测量等方面有重要的应用价值,并且基于碳化硅色心的量子器件在基于光纤传输的量子网络、活体生物结构探测、大规模集成、与现有半导体工艺兼容性等方面更具有优势。本人研究生期间主要进行碳化硅色心的制备、相干操控以及应用的实验研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.室温高亮单光子源的制备,及其在量子信息方面的应用。我们实验上实现了基于4H-碳化硅中碳硅反空位(CSiVC)色心的可见光波长的室温单光子源、基于3C-碳化硅的近C-波段通信波长的高温稳定的单光子源和基于氮化镓的覆盖可见光和近红外波长的室温单光子源。并将上述室温单光子源应用于基础物理研究,我们实验上利用单光子源和线性光学器件构造开放系统,并实现了其哈密顿量满足反PT-对称的非幺正的洛伦兹变换,实现了超流系统中玻色子-波戈留波夫准粒子的动力学演化的实验模拟。2.碳化硅中单个硅空位色心的可控制备及其缺陷系综的相干操控。我们实验上通过电子束曝光、离子注入以及真空退火等技术,实现了单个硅空位色心的可控制备,硅空位色心的产率高达80%,是目前固态系统中己报道的最高记录。并研究了单色心在室温环境下的光学性质;进一步制备高浓度硅空位色心系综的碳化硅样品,并实现高灵敏度的磁场量子精密测量。3.碳化硅中硅空位色心纳米级精度的深度控制。我们实验上通过反应离子刻蚀实现了对碳化硅表面纳米级精度的选择性刻蚀,并证明该过程对近表面硅空位色心的影响很小;利用反应离子刻蚀和共聚焦显微成像实现了对不同能量和种类的离子注入所产生的硅空位色心深度分布的重构;研究了深度对浅层硅空位色心的自旋和光学性质的影响,为其在体外自旋探测和磁共振成像方面的实际应用打下基础。4.碳化硅中单个双空位色心的可控制备以及室温下的自旋相干操控。我们实验上可控制备了基于4H-碳化硅的单个双空位色心阵列,并首次实现了单个双空位色心的电子自旋在室温环境下的相干操控,其ODMR对比度以及单色心荧光强度均为目前室温下碳化硅中单个自旋缺陷的最高纪录,可以与金刚石NV色心相媲美,这也是继金刚石NV色心之后发现的第二个在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子亮度的固态色心;还实现了单色心电子自旋与近邻29Si核自旋的耦合,这将有助于制备光-电子自旋-核自旋的复合纠缠态,促进碳化硅色心体系在量子信息的应用方面的发展。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O469
【部分图文】：

?２．１．１硅空位色心??碳化硅中的硅空位（ＶＳｉ）色心指的是由其晶格中硅原子缺失的空位缺陷构??成的发光中心。该发光中心的亮态电荷态为－１，其轨道基态电子自旋５?＝?３／２。??２０１５年，德国的Ｗｒａｃｈｔｒｕｐ研究组首次实现碳化硅中单个硅空位色心电子自旋的??室温相干操控［３３］。目前对硅空位缺陷自旋的研宄主要集中于４Ｈ－碳化硅材料，??且本文所涉及的硅空位实验工作也是基于４Ｈ－碳化硅材料的，故本节主要介绍??４Ｈ－碳化硅中的硅空位色心。??（１）、硅空位的原子结构??如图２．１所示为４Ｈ－碳化硅中硅空位缺陷的原子结构图，４Ｈ－碳化硅中的硅??原子有两个不等价的位置，对应有两种不同类型的硅空位色心，即处于六角格点??的Ａ硅空位和处于准立方格点的Ａ：硅空位，分别对应ＶＩ和Ｋ２硅空位缺陷中心。??緣ｃ??图２．１?４Ｈ－碳化硅中硅空位缺陷的原子结构图。黄色小球表示硅原子，白色小球表示碳原??子，红色小球表示硅空位，红色箭头表示硅空位中心的电子自旋。参考文献［３３］。??（２）、硅空位的电子结构??如图２．２所示为４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心的电子结构图。硅空位周围??存在四个指向空位位置的碳原子悬空键，基本保持Ｃ３ｔＩ对称性。悬空键形成两??３??

景、理论与实验基础???个七能级（考虑自旋为２重简并）和一个ｅ能级（考虑自旋为４重简并），第??一个Ａ能级在价带中，并远离价带顶，第二个ａｉ能级和ｅ能级在能带中间，对??于电荷态为－１的亮态Ｖｇ，第二个叫能级比价带顶高０．９?ｅＶ。基态的电子结构??为ａｂｌｅ２，最低的化能级被两个电子填满，带隙中的三个未成对电子形成自旋??（５?＝?３／２）四重态?Ｍ２。??Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ｂａｎｄ??ｅ－ｈ?￣ｈ??Ｘ２?０．９?ｅＶ??〇ｈ廿??Ｖａｌｅｎｃｅ?Ｂａｎｄ??图２．２?４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心（－１电荷态）的电子结构图。参考文献［５１］。??（３）、硅空位色心的光学性质??如图２．３⑷所示为４Ｈ－碳化硅中硅空位色心系综在５?Ｋ低温下的荧光光谱，??４Ｈ－碳化硅中存在两种不等价位置的硅空位缺陷，即ＶＩ和Ｖ２硅空位色心，其??在低温下的零声子线（ＺＰＬ）分别为８６２?ｎｍ和９１７?ｎｍ?［５２］。如图２．３（ｂ）所示为??单个ＶＩ硅空位色心在４?Ｋ低温下的焚光光谱，零声子线ＶＩ的中心波长为８６１??ｎｍ。另外还伴随一条中心波长为８５８?ｎｍ的７１＇线，ＶＴ的强度会随着温度的升??高而增强，是一种声子辅助过程［５３］。ＶＩ硅空位色心的ＺＰＬ强度约占整个光谱??的４０％?（金刚石ＮＶ色心的ＺＰＬ约占３％），有利于构建高保真度的光子－自旋量??子界面［５３］。如图２．３（ｃ）所示为单个Ｖ２硅空位色心在室温下的荧光光谱，光谱??覆盖?８５０？１０５０?ｎｍ?［３３］。??（ａ），＾；??（ｂ）???（ｃ）?「???ｆ?！?ｉ，０＿?Ａ?Ｉ??＂ｇ?８６０?８７５?８９０?９００?１，

景、理论与实验基础???个七能级（考虑自旋为２重简并）和一个ｅ能级（考虑自旋为４重简并），第??一个Ａ能级在价带中，并远离价带顶，第二个ａｉ能级和ｅ能级在能带中间，对??于电荷态为－１的亮态Ｖｇ，第二个叫能级比价带顶高０．９?ｅＶ。基态的电子结构??为ａｂｌｅ２，最低的化能级被两个电子填满，带隙中的三个未成对电子形成自旋??（５?＝?３／２）四重态?Ｍ２。??Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ｂａｎｄ??ｅ－ｈ?￣ｈ??Ｘ２?０．９?ｅＶ??〇ｈ廿??Ｖａｌｅｎｃｅ?Ｂａｎｄ??图２．２?４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心（－１电荷态）的电子结构图。参考文献［５１］。??（３）、硅空位色心的光学性质??如图２．３⑷所示为４Ｈ－碳化硅中硅空位色心系综在５?Ｋ低温下的荧光光谱，??４Ｈ－碳化硅中存在两种不等价位置的硅空位缺陷，即ＶＩ和Ｖ２硅空位色心，其??在低温下的零声子线（ＺＰＬ）分别为８６２?ｎｍ和９１７?ｎｍ?［５２］。如图２．３（ｂ）所示为??单个ＶＩ硅空位色心在４?Ｋ低温下的焚光光谱，零声子线ＶＩ的中心波长为８６１??ｎｍ。另外还伴随一条中心波长为８５８?ｎｍ的７１＇线，ＶＴ的强度会随着温度的升??高而增强，是一种声子辅助过程［５３］。ＶＩ硅空位色心的ＺＰＬ强度约占整个光谱??的４０％?（金刚石ＮＶ色心的ＺＰＬ约占３％），有利于构建高保真度的光子－自旋量??子界面［５３］。如图２．３（ｃ）所示为单个Ｖ２硅空位色心在室温下的荧光光谱，光谱??覆盖?８５０？１０５０?ｎｍ?［３３］。??（ａ），＾；??（ｂ）???（ｃ）?「???ｆ?！?ｉ，０＿?Ａ?Ｉ??＂ｇ?８６０?８７５?８９０?９００?１，
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本文编号：2882378