發(fā)布時間：2020-11-13 16:22

　　 碳化硅是一種廣泛應用于微電子、航天航空、大功率器件等行業(yè)的寬禁帶半導體材料。碳化硅具有成熟的單晶生長、微納加工和摻雜等技術。近幾年,碳化硅色心因具有近紅外熒光輻射、長自旋相干時間以及易于集成等優(yōu)點吸引了越來越多的關注,并得到快速發(fā)展。與金剛NV色心一樣,碳化硅色心可以在量子計算、量子通信、量子精密測量等方面有重要的應用價值,并且基于碳化硅色心的量子器件在基于光纖傳輸的量子網絡、活體生物結構探測、大規(guī)模集成、與現有半導體工藝兼容性等方面更具有優(yōu)勢。本人研究生期間主要進行碳化硅色心的制備、相干操控以及應用的實驗研究。本文所取得的主要研究成果如下:1.室溫高亮單光子源的制備,及其在量子信息方面的應用。我們實驗上實現了基于4H-碳化硅中碳硅反空位(CSiVC)色心的可見光波長的室溫單光子源、基于3C-碳化硅的近C-波段通信波長的高溫穩(wěn)定的單光子源和基于氮化鎵的覆蓋可見光和近紅外波長的室溫單光子源。并將上述室溫單光子源應用于基礎物理研究,我們實驗上利用單光子源和線性光學器件構造開放系統(tǒng),并實現了其哈密頓量滿足反PT-對稱的非幺正的洛倫茲變換,實現了超流系統(tǒng)中玻色子-波戈留波夫準粒子的動力學演化的實驗模擬。2.碳化硅中單個硅空位色心的可控制備及其缺陷系綜的相干操控。我們實驗上通過電子束曝光、離子注入以及真空退火等技術,實現了單個硅空位色心的可控制備,硅空位色心的產率高達80%,是目前固態(tài)系統(tǒng)中己報道的最高記錄。并研究了單色心在室溫環(huán)境下的光學性質;進一步制備高濃度硅空位色心系綜的碳化硅樣品,并實現高靈敏度的磁場量子精密測量。3.碳化硅中硅空位色心納米級精度的深度控制。我們實驗上通過反應離子刻蝕實現了對碳化硅表面納米級精度的選擇性刻蝕,并證明該過程對近表面硅空位色心的影響很小;利用反應離子刻蝕和共聚焦顯微成像實現了對不同能量和種類的離子注入所產生的硅空位色心深度分布的重構;研究了深度對淺層硅空位色心的自旋和光學性質的影響,為其在體外自旋探測和磁共振成像方面的實際應用打下基礎。4.碳化硅中單個雙空位色心的可控制備以及室溫下的自旋相干操控。我們實驗上可控制備了基于4H-碳化硅的單個雙空位色心陣列,并首次實現了單個雙空位色心的電子自旋在室溫環(huán)境下的相干操控,其ODMR對比度以及單色心熒光強度均為目前室溫下碳化硅中單個自旋缺陷的最高紀錄,可以與金剛石NV色心相媲美,這也是繼金剛石NV色心之后發(fā)現的第二個在室溫下同時具有高自旋讀出對比度和高單光子亮度的固態(tài)色心;還實現了單色心電子自旋與近鄰29Si核自旋的耦合,這將有助于制備光-電子自旋-核自旋的復合糾纏態(tài),促進碳化硅色心體系在量子信息的應用方面的發(fā)展。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

?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構??成的發(fā)光中心。該發(fā)光中心的亮態(tài)電荷態(tài)為－１，其軌道基態(tài)電子自旋５?＝?３／２。??２０１５年，德國的Ｗｒａｃｈｔｒｕｐ研究組首次實現碳化硅中單個硅空位色心電子自旋的??室溫相干操控［３３］。目前對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實驗工作也是基于４Ｈ－碳化硅材料的，故本節(jié)主要介紹??４Ｈ－碳化硅中的硅空位色心。??（１）、硅空位的原子結構??如圖２．１所示為４Ｈ－碳化硅中硅空位缺陷的原子結構圖，４Ｈ－碳化硅中的硅??原子有兩個不等價的位置，對應有兩種不同類型的硅空位色心，即處于六角格點??的Ａ硅空位和處于準立方格點的Ａ：硅空位，分別對應ＶＩ和Ｋ２硅空位缺陷中心。??緣ｃ??圖２．１?４Ｈ－碳化硅中硅空位缺陷的原子結構圖。黃色小球表示硅原子，白色小球表示碳原??子，紅色小球表示硅空位，紅色箭頭表示硅空位中心的電子自旋。參考文獻［３３］。??（２）、硅空位的電子結構??如圖２．２所示為４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心的電子結構圖。硅空位周圍??存在四個指向空位位置的碳原子懸空鍵，基本保持Ｃ３ｔＩ對稱性。懸空鍵形成兩??３??

景、理論與實驗基礎???個七能級（考慮自旋為２重簡并）和一個ｅ能級（考慮自旋為４重簡并），第??一個Ａ能級在價帶中，并遠離價帶頂，第二個ａｉ能級和ｅ能級在能帶中間，對??于電荷態(tài)為－１的亮態(tài)Ｖｇ，第二個叫能級比價帶頂高０．９?ｅＶ。基態(tài)的電子結構??為ａｂｌｅ２，最低的化能級被兩個電子填滿，帶隙中的三個未成對電子形成自旋??（５?＝?３／２）四重態(tài)?Ｍ２。??Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ｂａｎｄ??ｅ－ｈ?￣ｈ??Ｘ２?０．９?ｅＶ??〇ｈ廿??Ｖａｌｅｎｃｅ?Ｂａｎｄ??圖２．２?４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心（－１電荷態(tài)）的電子結構圖。參考文獻［５１］。??（３）、硅空位色心的光學性質??如圖２．３⑷所示為４Ｈ－碳化硅中硅空位色心系綜在５?Ｋ低溫下的熒光光譜，??４Ｈ－碳化硅中存在兩種不等價位置的硅空位缺陷，即ＶＩ和Ｖ２硅空位色心，其??在低溫下的零聲子線（ＺＰＬ）分別為８６２?ｎｍ和９１７?ｎｍ?［５２］。如圖２．３（ｂ）所示為??單個ＶＩ硅空位色心在４?Ｋ低溫下的焚光光譜，零聲子線ＶＩ的中心波長為８６１??ｎｍ。另外還伴隨一條中心波長為８５８?ｎｍ的７１＇線，ＶＴ的強度會隨著溫度的升??高而增強，是一種聲子輔助過程［５３］。ＶＩ硅空位色心的ＺＰＬ強度約占整個光譜??的４０％?（金剛石ＮＶ色心的ＺＰＬ約占３％），有利于構建高保真度的光子－自旋量??子界面［５３］。如圖２．３（ｃ）所示為單個Ｖ２硅空位色心在室溫下的熒光光譜，光譜??覆蓋?８５０？１０５０?ｎｍ?［３３］。??（ａ），＾；??（ｂ）???（ｃ）?「???ｆ?！?ｉ，０＿?Ａ?Ｉ??＂ｇ?８６０?８７５?８９０?９００?１，

景、理論與實驗基礎???個七能級（考慮自旋為２重簡并）和一個ｅ能級（考慮自旋為４重簡并），第??一個Ａ能級在價帶中，并遠離價帶頂，第二個ａｉ能級和ｅ能級在能帶中間，對??于電荷態(tài)為－１的亮態(tài)Ｖｇ，第二個叫能級比價帶頂高０．９?ｅＶ。基態(tài)的電子結構??為ａｂｌｅ２，最低的化能級被兩個電子填滿，帶隙中的三個未成對電子形成自旋??（５?＝?３／２）四重態(tài)?Ｍ２。??Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?Ｂａｎｄ??ｅ－ｈ?￣ｈ??Ｘ２?０．９?ｅＶ??〇ｈ廿??Ｖａｌｅｎｃｅ?Ｂａｎｄ??圖２．２?４Ｈ－碳化硅中的硅空位缺陷中心（－１電荷態(tài)）的電子結構圖。參考文獻［５１］。??（３）、硅空位色心的光學性質??如圖２．３⑷所示為４Ｈ－碳化硅中硅空位色心系綜在５?Ｋ低溫下的熒光光譜，??４Ｈ－碳化硅中存在兩種不等價位置的硅空位缺陷，即ＶＩ和Ｖ２硅空位色心，其??在低溫下的零聲子線（ＺＰＬ）分別為８６２?ｎｍ和９１７?ｎｍ?［５２］。如圖２．３（ｂ）所示為??單個ＶＩ硅空位色心在４?Ｋ低溫下的焚光光譜，零聲子線ＶＩ的中心波長為８６１??ｎｍ。另外還伴隨一條中心波長為８５８?ｎｍ的７１＇線，ＶＴ的強度會隨著溫度的升??高而增強，是一種聲子輔助過程［５３］。ＶＩ硅空位色心的ＺＰＬ強度約占整個光譜??的４０％?（金剛石ＮＶ色心的ＺＰＬ約占３％），有利于構建高保真度的光子－自旋量??子界面［５３］。如圖２．３（ｃ）所示為單個Ｖ２硅空位色心在室溫下的熒光光譜，光譜??覆蓋?８５０？１０５０?ｎｍ?［３３］。??（ａ），＾；??（ｂ）???（ｃ）?「???ｆ?！?ｉ，０＿?Ａ?Ｉ??＂ｇ?８６０?８７５?８９０?９００?１，
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本文編號：2882378