In-situ Silicon Doped hBN by High-Temperature Molecular Beam Epitaxy Enables Single Photon Emission

Sintesi Tecnica: Il drogaggio in situ con silicio di hBN tramite Epitassia a Fascio Molecolare ad Alta Temperatura abilita l'emissione di singoli fotoni

Problematica
Il nitruro di boro esagonale (hBN) è un materiale ospite leader per difetti otticamente attivi grazie al suo ampio bandgap sia in geometrie 3D che 2D e alla sua capacità di ospitare emettitori brillanti attraverso lo spettro visibile e il vicino infrarosso. Tuttavia, le origini microscopiche di molti emettitori osservati rimangono elusive. Sebbene il drogaggio con carbonio sia stato ampiamente studiato ed è stato collegato a specifiche linee di emissione (come l'emissione a 4,1 eV e i centri B), l'introduzione di altre specie di impurità specifiche, in particolare il silicio, rimane ampiamente inesplorata. Inoltre, identificare configurazioni di difetti specifiche che generino linee di emissione su misura nell'intervallo spettrale del visibile rimane una sfida significativa.

Metodologia
Gli autori hanno impiegato l'Epitassia a Fascio Molecolare ad Alta Temperatura (HT-MBE) per ottenere il drogaggio in-situ con silicio di hBN.

• Processo di crescita: Una sorgente di sublimazione del Si è stata integrata nel sistema HT-MBE per fornire simultaneamente flussi di Si, boro e azoto attivo alla superficie di crescita. Ciò ha permesso l'incorporazione diretta del Si nei siti del reticolo BN durante la crescita.
• Variazione sistematica: Per investigare i meccani di incorporazione del Si, sono stati coltivati film di hBN su substrati di zaffiro (0001) in un ampio intervallo di temperatura (da 900 °C a 1390 °C) mantenendo costante il flusso di silicio. I campioni sono stati etichettati come S1 attraverso S4 corrispondenti a crescenti temperature di crescita. Un film di hBN puro cresciuto a 1390 °C senza Si (S0) e un campione con metà del tempo di crescita a 1390 °C (S5) sono serviti come controlli.
• Caratterizzazione: Le proprietà strutturali e chimiche sono state analizzate tramite Microscopia a Forza Atomica (AFM), Ellissometria Spettroscopica e Spettroscopia Fotoelettronica a Raggi X (XPS). Le proprietà ottiche sono state valutate tramite mappatura di Fotoluminescenza (PL), spettroscopia PL confocale e misurazioni di autocorrelazione del fotone di secondo ordine $g^{(2)}(\tau)$ utilizzando l'interferometria di Hanbury Brown e Twiss (HBT).
• Verifica: Per confermare che gli emettitori fossero intrinseci al film di hBN e non artefatti del substrato o della superficie, è stato utilizzato un metodo di trasferimento a secco assistito da acetato di polivinile (PVA) per spostare i film di hBN drogati con Si su substrati di Si/SiO₂.
• Microscopia: La Microscopia Elettronica a Scansione in Trasmissione in Campo Scuro Anulare (ADF-STEM) è stata utilizzata per visualizzare le colonne atomiche e verificare la presenza di atomi di Si sostituzionali.

Risultati Chiave

• Qualità Strutturale: AFM ed ellissometria hanno confermato che i film di hBN drogati con Si mantengono un'alta qualità cristallina, sebbene la rugosità superficiale sia leggermente aumentata rispetto ai film puri, probabilmente a causa della distorsione reticolare derivante dalla sostituzione del Si. L'analisi XPS ha confermato la stechiometria dell'hBN vicina a 1:1, con un contenuto di Si al di sotto del limite tipico di rilevamento XPS (< 1% atomico), indicando un successo nel drogaggio a bassa concentrazione.
• Dipendenza della Temperatura dall'Emissione:
  • S1 (900 °C): Non è stata osservata alcuna attività di emettitore di singolo fotone (SPE), attribuita a un regime dominato da canali di ricombinazione non radiativa.
  • S2 (1000 °C): È stata osservata una bassa densità di emettitori, confinata in un intervallo spettrale ristretto (570–580 nm).
  • S3 (1200 °C) e S4 (1390 °C): Si è osservato un drastico aumento sia della densità degli emettitori che della diversità spettrale. Gli emettitori erano distribuiti continuamente tra 550 e 750 nm.
  • S5 (1390 °C, tempo ridotto): Ha esibito una densità di emettitori e una distribuzione spettrale simili a S3 e S4, confermando che la temperatura, piuttosto che il solo tempo totale di crescita, è il fattore critico.
• Natura del Singolo Fotone: Gli emettitori osservati hanno esibito linee zero-fonone (ZPL) strette con una larghezza media a metà altezza (FWHM) di circa 11 nm a temperatura ambiente. Le misurazioni di autocorrelazione del secondo ordine hanno confermato l'antibunching con valori di $g^{(2)}(0)$ ben al di sotto di 0,5 (ad esempio, 0,05 per S3), verificando la loro natura di emettitori di singoli fotoni isolati.
• Esclusione del Carbonio: I campioni di controllo (S0) e le misurazioni di PL UV non hanno mostrato evidenza dell'emissione a 4,1 eV tipica dei dimeri di carbonio, suggerendo che gli SPE osservati non siano principalmente legati al carbonio, nonostante il carbonio sia un comune impurità residua.
• Trasferibilità: L'attività SPE è stata preservata dopo il trasferimento dei film di hBN su substrati di Si/SiO₂, confermando che gli emettitori originano dal film di hBN stesso e sono compatibili con l'integrazione nei dispositivi.
• Conferma Atomica: L'analisi ADF-STEM ha rivelato colonne atomiche con un'intensità circa doppia rispetto agli atomi circostanti, fornendo prova diretta della presenza di specie Si che occupano i siti del sottoreticolo.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo dimostra un metodo robusto per il drogaggio in-situ con silicio di hBN tramite HT-MBE, stabilendo una finestra di temperatura di crescita ottimale (>1200 °C) per ospitare una gamma diversificata di emettitori quantistici senza richiedere l'annealing post-crescita o la pulizia al plasma. Gli autori propongono che le transizioni ottiche osservate derivino probabilmente da complessi di difetti legati al silicio. I candidati plausibili includono:

• Silicio sostituzionale nei siti del boro ($Si_B$).
• Configurazioni di dimeri fuori dal piano come $Si_N Si_i^-$ e $C_N Si_i^-$.
• Ricombinazione di coppia Donatore-Accettore (DAP) coinvolgente $Si_B^+$ come donatore e difetti nativi B/N accettori.

Lo studio conclude che, sebbene una correlazione sperimentale diretta tra specifiche configurazioni cristallografiche legate al silicio e le singole linee ottiche rimanga irrisolta, questo lavoro rappresenta un passo critico verso una comprensione completa del drogaggio in-situ in hBN. Esso espande l'intervallo delle possibili configurazioni di difetti oltre il carbonio e offre nuove strade per l'ingegneria di applicazioni fotoniche quantistiche attraverso l'incorporazione controllata di impurità.