Localized Excitonic Emission in Wafer-Scale MOCVD-Grown GaSe 2D Nanosheets for Classical and Non-Classical Light Sources

ملخص تقني: الانبعاث الإكسيتوني الموضعي في صفائح نانوية من سيلينيد الغاليوم (GaSe) ثنائية الأبعاد والنمو بأسلوب MOCVD على نطاق رقاقة كاملة

بيان المشكلة
إن دمج أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد (2D) في التقنيات الضوئية يعوقه غياب طرق نمو قابلة للتحكم وقابلة للتوسع. وبينما تمت دراسة ثنائيات كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs) بشكل مكثف بسبب هياكل نطاقها الحزمة القابلة للضبط وخصائصها الإكسيتونية، إلا أن مركبات III–VI أحادية الكالكوجينيد مثل سيلينيد الغاليوم (GaSe) لا تزال غير مستكشفة بشكل كافٍ في هذا السياق. تعتمد الأبحاث الحالية لـ GaSe بشكل كبير على التقشير الميكانيكي، مما يحد من الحجم الجانبي وإمكانية التكرار، أو ترسيب البخار الكيميائي التقليدي (CVD)، الذي غالباً ما يعاني من صعوبات في التجانس ونقاء الطور. هناك حاجة ماسة لتقنيات نمو على نطاق الرقاقة الكاملة يمكنها إنتاج طبقات GaSe عالية الجودة متوافقة مع المنصات القائمة على السيليكون لكل من مصادر الضوء الكلاسيكية والكمية.

المنهجية
استخدم المؤلفون ترسيب البخار الكيميائي للمركبات العضوية المعدنية (MOCVD) لنمو طبقات GaSe على ركائز GaP/Si، وهي منصة اختيرت لتوافقها الشبكي ودورها الراسخ في فوتونيات السيليكون.

• عملية النمو: باستخدام سلائف ثلاثي إيثيل الغاليوم (TEGa) وثنائي إيزوبروبيل السيلينيد (DiPSe)، تم تخليق عينتين بمدد نمو متفاوتة (3 دقائق و30 دقيقة) للتحكم في السمك، والذي يتراوح من بضع طبقات أحادية إلى عدة ميكرومترات. تم ترسيب طبقة عازلة رقيقة من GaP قبل نمو GaSe لاستقرار السطح.
• التوصيف الهيكلي: تم تحليل العينات بواسطة مجهر القوة الذرية (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية رامان (بما في ذلك التخطيط المكاني)، والمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (STEM) لتقييم المورفولوجيا، والبلورية، ونقاء الطور، والمحاذاة الفوقية.
• التوصيف الضوئي: تم استقصاء الخصائص الضوئية عبر الفلورة الضوئية الدقيقة (µPL)، والفلورة الضوئية المحلولة زمنياً (TRPL)، وتخطيط اللمعان الكاثودي (CL) عند درجات حرارة منخفضة (20 كلفن).
• التحليل الضوئي الكمي: للتحقق من طبيعة الانبعاث، أجريت قياسات الارتباط الذاتي من الدرجة الثانية ($g^{(2)}(\tau)$) باستخدام مقياس تداخل هانبري براون وهت (HBT) على عينة الـ 3 دقائق.

النتائج الرئيسية

1. التطور الهيكلي والمورفولوجي:

   • عينة الـ 3 دقائق: أظهرت صفائح نانوية متباينة الخواص، موجهة رأسياً وتنمو على طول اتجاهات $\langle 111 \rangle$ لركيزة GaP، بارتفاعات تصل إلى 262 نانومتر. أكد STEM وجود واجهة حادة ذرية وتتابع تكدس من نوع $\gamma'$.
   • عينة الـ 30 دقيقة: أظهرت تحولاً إلى رقاقات ثلاثية الأضلاع مسطحة على سطح GaP (100) مستوٍ في الغالب، مما يشير إلى تحول نحو النمو الممتد جانبياً.
   • نقاء الطور: أكدت تحليلات رامان وXRD أن العينات هي GaSe نقية الطور بشكل أساسي. وبينما أشارت سمات رامان الضعيفة إلى احتمال وجود $Ga_2Se_3$ في العينة الأكثر سمكاً، إلا أن XRD لم يظهر انعكاسات طور ثانوي، مما يشير إلى أن هذه السمات نشأت عن تأثيرات محلية مستحثة بالليزر بدلاً من شوائب الطور الكلية.

2. خصائص الانبعاث الضوئي:

   • عينة الـ 30 دقيقة: أظهرت فلورة ضوئية (PL) مكثفة وعريضة تمتد من 1.7 إلى 2.0 إلكترون فولت. كشف تخطيط اللمعان الكاثودي (CL) عن بقع انبعاث موضعية مكانياً متراكبة على خلفية عريضة، تُعزى إلى زيادة الاضطراب الهيكلي وإعادة الاتحاد المتواطئة مع العيوب في الطبقات الأكثر سمكاً.
   • عينة الـ 3 دقائق: أظهرت خطوط انبعاث منفصلة وضيقة مع تموضع مكاني كبير. حدد تخطيط CL بقعاً مضيئة معزولة (~300 نانومتر) بكثافة باعث تبلغ $8 \times 10^7$ سم$^{-2}$. كشف التحليل الطيفي عن قمم ضيقة (FWHM ~20 meV) متمركزة عند 1.91 إلكترون فولت.

3. التوضع المستحث بالعيوب:

   • أظهرت الفلورة الضوئية المجهرية (µPL) المعتمدة على القدرة إزاحة حمراء منهجية وتوسيعاً في عرض الخط مع زيادة قدرة الاستثارة، وهو ما يتوافق مع حجب الحاملات (carrier-induced screening) للجهود الموضعية وإعادة تطبيع فجوة النطاق.
   • كشف التحليل المعتمد على درجة الحرارة عن سلوك قوة (Power-law) حيث ($I_{PL} \propto P^\alpha$)، حيث اقترب الأس $\alpha$ من الواحد الصحيح عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يشير إلى التنشيط الحراري للإكسيتونات خارج الحالات الموضعية.
   • أظهرت القياسات المستقطبة انتقالات بصرية ذات درجة استقطاب خطي (DLP) تبلغ ~0.5.
   • أسفرت قياسات TRPL عن عمر للحالة المثارة يبلغ $1.26 \pm 0.01$ نانو ثانية، وهو رقم متوسط بين الأنظمة المزروعة بـ MBE والأنظمة المقشرة، مما يشير إلى نظام حصار متميز محكوم بالعيوب.

4. انبعاث الفوتون الواحد:

   • أسفرت قياسات HBT على باعث موضعي في عينة الـ 3 دقائق عن دالة ارتباط من الدرجة الثانية $g^{(2)}(0) = 0.15 \pm 0.10$ عند 4 كلفن. هذه القيمة أقل بكثير من عتبة 0.5، مما يؤكد انبعاث الفوتونات المفردة. يشير المؤلفون إلى أن هذه النقاء تحقق دون تغليف، رغم أنها أعلى قليلاً من القيم المسجلة للأنظمة المزروعة بـ MBE والمغلفة، ويرجع ذلك على الأرجب إلى ضجيج الشحنة السطحية.

الأهمية والادعاءات
يؤكد البحث أن GaSe ثنائي الأبعاد المزروع بأسلوب MOCVD على نطاق الرقاقة الكاملة يعد منصة صالحة لكل من مصادر الضوء الكلاسيكية وغير الكلاسيكية. المساهمة الأساسية هي إثبات أن مدة النمو يمكن استخدامها لهندسة المورفولوجيا الهيكلية، وبالتالي الخصائص الضوئية لـ GaSe.

يدعي المؤلفون أن الانبعاث الضيق والموضعي مكانياً وتوليد الفوتون الواحد في عينة الـ 3 دقائق مدفوع بالتوضع المستحث بالعيوب وليس بإعادة الاتحاد الإكسيتوني الجوهري. تسلط هذه النتيجة الضوء على "التوضع المهندس بالعيوب" كمسار نحو الفوتونيات الكمية القابلة للتوسع. بخلاف الأعمال السابقة التي تعتمد على التقشير الميكانيكي أو هندسة الإجهاد المعقدة، تظهر هذه الدراسة أنه يمكن تحقيق نقاء عالٍ للفوتون المفرد من خلال نمو MOCVD المحكوم على ركائز متوافقة مع السيليكون. يضع هذا العمل GaSe المزروع بـ MOCVD كخطوة وسيطة بين الأنظمة المقشرة والهياكل الهجينة المهندسة بالكامل، مما يوفر مساراً لدمج أشباه الموصلات الطبقية في بنيات الفوتونيات القائمة على السيليكون. ويُقترح أن التحسينات المستقبلية في الاستقرار الطيفي ونقاء الفوتونات يمكن تحقيقها من خلال التخميد السطحي أو التغليف العازل.