육각형 질화붕소 양자 방출체의 장기간 광안정성

2023년 4월 11일 특집

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작성자: Thamarasee Jeewandara, Phys.org

단일 광자 방출기는 광학 양자 기술에 적합한 중요한 건축 자재입니다. 그중에서도 육각형 질화붕소는 밝은 실온 단일 광자 방출체를 유지하는 유망한 2차원 재료입니다. 그러나 광불안정성은 실제로 이러한 특성을 적용하기 위한 기존 과제입니다.

Communications Materials에 발표된 새로운 연구에서 Sylvia Xin Li와 매사추세츠 공과대학, 텍사스 대학교, RIKEN 첨단 포토닉스 센터, 옥스퍼드 대학교 화학 공학부 과학자 팀은 광표백의 가능성을 밝혔습니다. 양자 응용 분야에 적합한 광안정성을 촉진하는 육각형 질화붕소 공공 방출체입니다.

양자 역학은 정보 처리 및 전송을 위해 광자의 양자 상태를 탐색하는 가장 흥미롭고 빠르게 성장하는 기술 중 하나로 실제 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 연구자들은 3차원 결정의 다양한 고체 단일 광자 소스를 조사했습니다. 그러나 이러한 소스에서 나오는 빛은 주변의 부피가 큰 유전체 환경에 의해 억제되어 방출 효율이 감소될 수 있습니다.

과학자들은 온칩 포토닉스와 통합하기 위해 단일 원자층 수준에서 두께가 크게 감소된 유전체 재료를 통해 전이 금속 디칼코게나이드 및 육방정계 질화붕소(hBN)와 같은 2차원 호스트의 색상 중심 문제를 극복할 수 있습니다. 전이금속 디칼코게나이드의 단일 광자 방출은 실온에서만 관찰되지만, 물질 자체는 극저온에서 기능할 수 있는 고유한 광물리적 특성을 지닌 육각형 질화붕소와 ​​같은 물질을 제공하기 위해 밝은 실온 단일 광자 방출기를 호스팅할 수 있습니다.

이 연구에서 Li와 ​​동료들은 다양한 육각형 질화붕소 샘플의 광표백 수명을 정량적으로 연구하여 산소와의 광화학 반응을 통해 지배적인 것으로 나타났습니다. 연구팀은 물질 위에 화합물의 단층을 추가로 쌓는 간단한 전략을 통해 표백 현상이 크게 감소함을 보여주었습니다.

과학자들은 hBN 격자의 고품질 원자 규모 이미징을 달성하기 위해 환형 암시야 주사 투과 전자 현미경으로 광표백된 단층을 특성화했습니다. 그들은 X선 광전자 분광법과 환형 암시야 주사 투과 전자 현미경을 결합하여 육각형 질화붕소 격자의 고품질 원자 규모 이미징을 달성했습니다.

연구팀은 구리 호일 위에 단층 화학 기상 증착으로 성장한 육각형 질화붕소, 구리 호일 위에 성장한 다층 화학 기상 증착, 에탄올/물 혼합물에 현탁된 다층 액체 박리 hBN 나노플레이크 등 시판되는 3개의 hBN 박막을 비교했습니다. 연구팀은 이러한 샘플을 후처리 없이 이산화규소 기판으로 옮기고 맞춤형 공초점 분광 현미경을 사용하여 시간에 따른 광발광 측정으로 샘플을 검사했습니다.

Li와 동료들은 모든 hBN 샘플에서 관찰된 방출체 종에 초점을 맞추고 단층 및 다층 화학 기상 증착 샘플에서 세 가지 서로 다른 방출 거동이 존재한다는 점을 지적했습니다. 열 어닐링 처리 없이 준비된 다층 액체 박리된 육방정계 질화붕소는 두 가지 다른 방출 모드를 보여주었으며, 이는 광범위하게 특성화되었습니다.