Photostabilité prolongée dans les émetteurs quantiques de nitrure de bore hexagonal

Article du 11 avril 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Les émetteurs de photons uniques sont des matériaux de construction essentiels adaptés aux technologies optiques quantiques. Parmi eux, le nitrure de bore hexagonal est un matériau bidimensionnel prometteur qui retient les émetteurs de photons uniques brillants à température ambiante. Cependant, la photo-instabilité constitue un défi existant pour faciliter les applications de ces propriétés dans la pratique.

Dans une nouvelle étude publiée dans Communications Materials, Sylvia Xin Li et une équipe de scientifiques du département de génie chimique du Massachusetts Institute of Technology, de l'Université du Texas, du centre RIKEN pour la photonique avancée et de l'Université d'Oxford ont révélé la possibilité de photoblanchiment. émetteurs de lacunes hexagonaux en nitrure de bore pour faciliter la photostabilité, adaptés aux applications quantiques.

La mécanique quantique peut être exploitée pour des applications réelles en tant que l'une des technologies les plus intrigantes et à la croissance la plus rapide explorant les états quantiques des photons pour le traitement et la transmission de l'information. Les chercheurs ont étudié diverses sources de photons uniques à l’état solide dans des cristaux tridimensionnels ; cependant, la lumière émanant de ces sources peut être contenue par l'environnement diélectrique volumineux environnant, ce qui entraîne une efficacité d'émission réduite.

Les scientifiques peuvent surmonter ce défi des centres de couleur dans des hôtes bidimensionnels tels que les dichalcogénures de métaux de transition et les nitrures de bore hexagonaux (hBN) via des matériaux diélectriques d'épaisseur considérablement réduite au niveau d'une seule couche atomique pour s'intégrer à la photonique sur puce. Alors que l'émission de photons uniques dans les dichalcogénures de métaux de transition n'est observée qu'à température ambiante, le matériau lui-même peut héberger des émetteurs de photons uniques brillants à température ambiante pour fournir à des matériaux tels que le nitrure de bore hexagonal des propriétés photophysiques uniques pour fonctionner à des températures cryogéniques.

Dans ce travail, Li et ses collègues ont étudié quantitativement la durée de vie de photoblanchiment de divers échantillons de nitrure de bore hexagonal et ont révélé qu'ils étaient dominés par des réactions photochimiques avec l'oxygène. L’équipe a montré que le blanchiment était considérablement réduit par une stratégie simple consistant à empiler des monocouches supplémentaires du composé sur le matériau.

Les scientifiques ont caractérisé la monocouche photoblanchie avec une microscopie électronique à transmission à balayage à champ sombre annulaire pour obtenir une imagerie de haute qualité à l'échelle atomique du réseau hBN. Ils ont combiné la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la microscopie électronique à transmission à balayage sur fond sombre annulaire pour obtenir une imagerie de haute qualité à l'échelle atomique du réseau hexagonal de nitrure de bore.

L’équipe de recherche a comparé trois films minces de hBN disponibles dans le commerce, notamment le dépôt chimique en phase vapeur monocouche de nitrure de bore hexagonal cultivé sur une feuille de cuivre, le dépôt chimique en phase vapeur multicouche de hBN cultivé sur une feuille de cuivre et les nanoflacons de hBN multicouches exfoliés par liquide en suspension dans des mélanges éthanol/eau. L’équipe a transféré ces échantillons dans des substrats de dioxyde de silicium sans aucun post-traitement et les a examinés avec des mesures de photoluminescence dépendant du temps à l’aide d’un microscope spectroscopique confocal sur mesure.

Li et ses collègues se sont concentrés sur les espèces émettrices observées dans tous les échantillons de hBN et ont noté la présence de trois comportements d'émission différents dans les échantillons de dépôt chimique en phase vapeur monocouche et multicouche. Le nitrure de bore hexagonal exfolié liquide multicouche, tel que préparé sans traitement de recuit thermique, a montré deux modes d'émission intéressants, qu'ils ont caractérisés de manière approfondie.