stringtranslate.com

Centros de color de carburo de silicio

Diagrama esquemático
Esquema del diodo de SiC p+–n–n+ con un centro de color en la capa de tipo n. (2018, I. Khramtsov, A. Vyshnevyy, D. Fedyanin)

Los centros de color del carburo de silicio son defectos puntuales en la red cristalina del carburo de silicio , que se conocen como centros de color. Estos centros de color tienen múltiples usos, algunos de los cuales se encuentran en la fotónica, los semiconductores y las aplicaciones cuánticas como la metrología y la comunicación cuántica . Los defectos en los materiales tienen una gran cantidad de aplicaciones, pero la razón por la que los defectos o centros de color en el carburo de silicio son significativos se debe a muchas propiedades importantes de estos centros de color. El carburo de silicio como material tiene una no linealidad de segundo orden, así como transparencia óptica y baja absorción de dos fotones. Esto hace que el carburo de silicio sea viable como plataforma alternativa para muchas cosas, incluidas, entre otras, la nanofabricación, la fotónica cuántica integrada y los sistemas cuánticos en obleas a gran escala. [1]

Fabricación

Existen principalmente tres métodos para fabricar centros de color de carburo de silicio. [2] Los tres métodos son la irradiación electrónica, la inyección de iones y la escritura láser de femtosegundos.

Irradiación electrónica

Esta técnica funciona exponiendo el material a un haz de electrones altamente ionizante. Esto hace que se desprendan electrones del propio material, lo que genera centros de color (o defectos). [3] Sin embargo, este proceso requiere una gran cantidad de energía, siendo 9 MeV el límite inferior de energía en la mayoría de los materiales. [3]

Inyección de iones

La inyección de iones se utiliza normalmente para dopar semiconductores, pero también se puede utilizar para crear centros de color. Primero se acelera un ion hasta una determinada energía, normalmente en el rango de MeV. Luego, este ion se acelera en el material, que luego lo implanta en el material, modificando la composición del material, lo que puede crear un centro de color. [4]

Escritura láser de femtosegundos

Utilizando un proceso de escritura láser no lineal, junto con la corrección de aberración adecuada, se pueden generar defectos a cualquier profundidad en el cristal. Este proceso conserva las propiedades de espín y coherencia óptica. [5] [6] La forma en que funciona es a partir de la ionización multifotónica del proceso láser de femtosegundos . Este método de fabricación de defectos no solo funciona para el carburo de silicio, sino que también puede funcionar para otros materiales. [7]

Otros tipos de fabricación de defectos son la irradiación de neutrones , la irradiación de protones y los haces de Si enfocados. [1]

Actualmente [¿ cuándo? ] también se están experimentando nuevos métodos de fabricación para intentar reducir la energía utilizada o la complicación del proceso. Uno de los nuevos métodos es un nuevo método de utilización de un método de escritura láser con un láser de nanosegundos. [2]

Tipos de defectos

Existen varios tipos de defectos en el carburo de silicio, algunos de los cuales se enumeran a continuación: [ aclaración necesaria ]

Centros de color de metales de transición:

Se han realizado estudios sobre TV1 como un qubit , que proporcionó una mejor interfaz espín-fotón que TV2. [8] [9] Sin embargo, recientemente se ha identificado por completo el papel de V si (-) como un qubit. [10]

Aplicaciones

Fotónica

Recientemente [¿ cuándo? ] , estos centros de color en carburo de silicio han demostrado ser prometedores para convertirse en uno de los mejores emisores de fotones individuales para fuentes de luz no clásicas. [11] Tradicionalmente, los láseres atenuados han sido el sustituto de las fuentes de fotón único . Esto funciona para la criptografía cuántica , pero son un sustituto parcial y, al final, esto no fue un sustituto para las fuentes de fotón único, ya que no producen fotones individuales. [11] Normalmente, hay dos métodos principales para generar fotones individuales: conversión descendente paramétrica espontánea y puntos cuánticos epitaxiales . [ cita requerida ]

En la conversión descendente paramétrica espontánea, se pueden producir fotones individuales a una velocidad de hasta 10 6 fotones por segundo. [12] [ 13] [14] [11] El inconveniente de este enfoque es que no hay forma de generar fotones individuales a demanda. Esto hace que este tipo de generación sea difícil de usar en la práctica. [ cita requerida ]

Se ha demostrado que los puntos cuánticos epitaxiales generan fotones individuales excepcionalmente cuando se los somete a bombeo eléctrico. Sin embargo, esto funciona a temperaturas muy bajas, lo que también hace que estas aplicaciones sean más difíciles de llevar a cabo en la práctica en experimentos. [11] [15] [16] [17]

Los centros de color en carburo de silicio, diamantes y otros materiales relacionados serían más prácticos que los otros dos enfoques tradicionales debido a la temperatura más alta a la que pueden operar cuando están bajo bombeo óptico y eléctrico. [11]

Semiconductores

El carburo de silicio ya se utiliza en la industria de semiconductores debido a que pertenece a una familia de materiales llamados materiales compatibles con semiconductores de óxido metálico complementario, así como por su fiabilidad en la fabricación de obleas monocristalinas de alta calidad. [1] Dado que los semiconductores por definición ya tienen defectos puntuales, algunos pueden utilizarse para fines como fuentes de fotón único. [ cita requerida ]

Propiedades cuánticas de los centros de color de carburo de silicio

Cuando se estudian a nivel de defectos individuales, se pueden aislar emisores individuales. Como resultado de esto, los centros de color de carburo de silicio se pueden utilizar para aplicaciones en protocolos de criptografía cuántica. [1] Un ejemplo de esto fue un estudio sobre centros de nitrógeno-vacante en diamantes en 2014, que son similares a los centros de color en carburo de silicio, que mostró resultados novedosos sobre cómo en los diamantes, el nitrógeno-vacante eran centros de color, que también son impurezas fluorescentes que tienen muchas aplicaciones [18]

El entrelazamiento cuántico entre el estado de espín del electrón y el estado cuántico del fotón único ocurre cuando se cumplen dos condiciones:

  1. El estado cuántico de un solo fotón se puede correlacionar con el estado de giro del electrón de los centros de color de carburo de silicio.
  2. Esta correlación se puede almacenar en espines nucleares cercanos en los centros de color.

Este entrelazamiento cuántico permite la creación de redes cuánticas, lo que conduce a las comunicaciones cuánticas, la memoria cuántica y la metrología. [1]

Detección cuántica

Cuando los centros de color se llevan por primera vez a un estado excitado, se puede emitir un fotón a partir de la desintegración desde el estado excitado al estado fundamental . Este fotón puede entonces interactuar con otras fuentes de campos magnéticos estáticos y variables. Como resultado de esto, se modifican la frecuencia de transición de espín y el tiempo de coherencia , efecto que luego se utiliza en la detección cuántica . [1]

Comparación con los centros de color de diamantes

Gran parte de la investigación sobre centros de color se realizó originalmente utilizando diamante en lugar de carburo de silicio. A modo de comparación, la vacancia de nitrógeno en el diamante tiene propiedades cuánticas similares a la divacancia en el carburo de silicio. La vacancia del diamante tiene potencialmente mejores propiedades cuánticas que las del carburo de silicio, pero uno de los principales beneficios del carburo de silicio y sus centros de color es una mayor escalabilidad y una mayor facilidad de fabricación en comparación con el diamante. Además, el carburo de silicio no sufre complicaciones en la producción, como la grafitización durante la irradiación, que es posible durante la fabricación de centros de color de diamante. [ cita requerida ]

Referencias

  1. ^ abcdef Castelletto, Stefania; Boretti, Alberto (1 de abril de 2020). "Centros de color de carburo de silicio para aplicaciones cuánticas". Journal of Physics: Photonics . 2 (2): 022001. Bibcode :2020JPhP....2b2001C. doi : 10.1088/2515-7647/ab77a2 . ISSN  2515-7647. S2CID  214158020.
  2. ^ ab Huang, Qieyu; Huang, Kun; Cheng, Lin; Qu, Shuai; Ran, Guihao; Mao, Xiaobiao (21 de noviembre de 2022). "Fabricación y detección de centros de color de carburo de silicio basados ​​en tecnología láser de nanosegundos". Revista de investigación láser rusa . 43 (6): 708–714. doi :10.1007/s10946-022-10098-3. ISSN  1071-2836. S2CID  253784844.
  3. ^ ab Idris, Sarada; Ghazali, Zulkafli; Hashim, Siti A'iasah; Ahmad, Shamshad; Jusoh, Mohd Suhaimi (2012). Irradiación con haz de electrones de piedras preciosas para mejorar el color. Instituto Americano de Física. Kuala Lumpur, Malasia. págs. 197-199. doi : 10.1063/1.4757464. 1482.
  4. ^ Lagomarsino, S.; Flatae, AM; Kambalathmana, H.; Sledz, F.; Hunold, L.; Soltani, N.; Reuschel, P.; Sciortino, S.; Gelli, N.; Massi, M.; Czelusniak, C.; Giuntini, L.; Agio, M. (14 de enero de 2021). "Creación de centros de color de vacancia de silicio en diamante mediante implantación de iones". Frontiers in Physics . 8 : 601362. Bibcode :2021FrP.....8..626L. doi : 10.3389/fphy.2020.601362 . hdl : 2158/1244714 . ISSN  2296-424X.
  5. ^ Chen, Yu-Chen; Griffiths, Benjamin; Weng, Laiyi; Nicley, Shannon S.; Ishmael, Shazeaa N.; Lekhai, Yashna; Johnson, Sam; Stephen, Colin J.; Green, Ben L.; Morley, Gavin W.; Newton, Mark E.; Booth, Martin J.; Salter, Patrick S.; Smith, Jason M. (20 de mayo de 2019). "Escritura láser de defectos individuales de vacancia de nitrógeno en diamante con rendimiento cercano a la unidad". Optica . 6 (5): 662. arXiv : 1807.04028 . Bibcode :2019Optic...6..662C. doi :10.1364/OPTICA.6.000662. ISSN  2334-2536. S2CID  119475807.
  6. ^ Chen, Yu-Chen; Salter, Patrick S.; Niethammer, Matthias; Widmann, Matthias; Kaiser, Florian; Nagy, Roland; Morioka, Naoya; Babin, Charles; Erlekampf, Jürgen; Berwian, Patrick; Booth, Martin J.; Wrachtrup, Jörg (10 de abril de 2019). "Escritura láser de centros escalables de un solo color en carburo de silicio". Nano Letters . 19 (4): 2377–2383. Código Bibliográfico :2019NanoL..19.2377C. doi :10.1021/acs.nanolett.8b05070. ISSN  1530-6984. PMID  30882227. S2CID  81980022.
  7. ^ Courrol, Lilia Coronato; Samad, Ricardo Elgul; Gómez, Laércio; Ranieri, Izilda Márcia; Baldochi, Sonia Licia; Zanardi de Freitas, Anderson; Vieira, Nilson Días (9 de enero de 2004). "Producción de centros de color mediante irradiación con láser de pulso de femtosegundo en cristales de LiF". Óptica Express . 12 (2): 288–293. Código Bib : 2004OExpr..12..288C. doi : 10.1364/OPEX.12.000288 . ISSN  1094-4087. PMID  19471536.
  8. ^ Nagy, Roland; Niethammer, Matías; Widmann, Matías; Chen, Yu-Chen; Udvarhelyi, Peter; Bonato, Cristian; Hassan, Jawad Ul; Karhu, Robin; Ivanov, Iván G.; Hijo, Nguyen Tien; Laberinto, Jerónimo R.; Ohshima, Takeshi; Soykal, Öney O.; Gali, Ádám; Lee, Sang-Yun (26 de abril de 2019). "Giro de alta fidelidad y control óptico de centros únicos de vacantes de silicio en carburo de silicio". Comunicaciones de la naturaleza . 10 (1): 1954. arXiv : 1810.10296 . Código Bib : 2019NatCo..10.1954N. doi :10.1038/s41467-019-09873-9. Revista de  Biología Molecular y Genética  . 
  9. ^ Nagy, Roland; Widmann, Matías; Niethammer, Matías; Dasari, Durga BR; Gerhardt, Ilja; Soykal, Öney O.; Radulaski, Marina; Ohshima, Takeshi; Vuckovic, Jelena; Hijo, Nguyen Tien; Ivanov, Iván G.; Economou, Sophia E .; Bonato, Cristian; Lee, Sang-Yun; Wrachtrup, Jörg (23 de marzo de 2018). "Propiedades cuánticas de las vacantes de silicio dicroico en carburo de silicio". Revisión Física Aplicada . 9 (3): 034022. arXiv : 1707.02715 . Código Bib : 2018PhRvP...9c4022N. doi :10.1103/PhysRevApplied.9.034022. ISSN  2331-7019. S2CID  53484272.
  10. ^ Ivády, Viktor; Davidsson, Joel; Son, Nguyen Tien; Ohshima, Takeshi; Abrikosov, Igor A.; Gali, Adam (2017-10-27). "Identificación de qubits a temperatura ambiente relacionados con la vacancia de Si en carburo de silicio 4 H". Physical Review B . 96 (16): 161114. arXiv : 1708.06259 . Bibcode :2017PhRvB..96p1114I. doi :10.1103/PhysRevB.96.161114. ISSN  2469-9950. S2CID  6668026.
  11. ^ abcde Khramtsov, Igor A.; Fedyanin, Dmitry Yu. (6 de marzo de 2021). "Fuentes de fotón único basadas en nuevos centros de color en diodos P–I–N de carburo de silicio: combinación de teoría y experimentación". Nano-Micro Letters . 13 (1): 83. Bibcode :2021NML....13...83K. doi :10.1007/s40820-021-00600-y. ISSN  2311-6706. PMC 8006472 . PMID  34138328. 
  12. ^ Montaut, Nicola; Sansoni, Linda; Meyer-Scott, Evan; Ricken, Raimund; Quiring, Viktor; Herrmann, Harald; Silberhorn, Christine (22 de agosto de 2017). "Fuente plug-and-play de alta eficiencia de fotones individuales anunciados". Physical Review Applied . 8 (2): 024021. arXiv : 1701.04229 . Código Bibliográfico :2017PhRvP...8b4021M. doi :10.1103/PhysRevApplied.8.024021. ISSN  2331-7019. S2CID  690463.
  13. ^ Guo, Xiang; Zou, Chang-ling; Schuck, Carsten; Jung, Hojoong; Cheng, Risheng; Tang, Hong X (7 de noviembre de 2017). "Fuente de pares de fotones de conversión descendente paramétrica en un chip nanofotónico". Light: Science & Applications . 6 (5): e16249. arXiv : 1603.03726 . Bibcode :2016LSA.....6E6249G. doi :10.1038/lsa.2016.249. ISSN  2047-7538. PMC 6062195 . PMID  30167250. 
  14. ^ Caspani, Lucia; Xiong, Chunle; Eggleton, Benjamin J; Bajoni, Daniele; Liscidini, Marco; Galli, Matteo; Morandotti, Roberto; Moss, David J (6 de junio de 2017). "Fuentes integradas de estados cuánticos de fotones basadas en óptica no lineal". Luz: ciencia y aplicaciones . 6 (11): e17100. Bibcode :2017LSA.....6E7100C. doi :10.1038/lsa.2017.100. ISSN  2047-7538. PMC 6062040 . PMID  30167217. 
  15. ^ Buckley, Sonia; Rivoire, Kelley; Vučković, Jelena (1 de diciembre de 2012). "Fuentes de fotón único de puntos cuánticos diseñadas". Informes sobre el progreso en física . 75 (12): 126503. arXiv : 1210.1234 . Bibcode :2012RPPh...75l6503B. doi :10.1088/0034-4885/75/12/126503. ISSN  0034-4885. PMID  23144123. S2CID  14389032.
  16. ^ Senellart, Pascale; Solomon, Glenn; White, Andrew (7 de noviembre de 2017). "Fuentes de fotón único de puntos cuánticos de semiconductores de alto rendimiento". Nature Nanotechnology . 12 (11): 1026–1039. Bibcode :2017NatNa..12.1026S. doi :10.1038/nnano.2017.218. ISSN  1748-3387. PMID  29109549.
  17. ^ Deshpande, Saniya; Frost, Thomas; Hazari, Arnab; Bhattacharya, Pallab (6 de octubre de 2014). "Emisión de fotón único bombeada eléctricamente a temperatura ambiente desde un único punto cuántico InGaN/GaN". Applied Physics Letters . 105 (14): 141109. Bibcode :2014ApPhL.105n1109D. doi :10.1063/1.4897640. ISSN  0003-6951.
  18. ^ Schirhagl, Romana; Chang, Kevin; Loretz, Michael; Degen, Christian L. (1 de abril de 2014). "Centros de nitrógeno vacante en diamantes: sensores a nanoescala para física y biología". Revista anual de química física . 65 (1): 83–105. Bibcode :2014ARPC...65...83S. doi :10.1146/annurev-physchem-040513-103659. ISSN  0066-426X. PMID  24274702.