Fine structure of the M-center in Si

问题与背景
色心（Color centers）作为固体材料中的一种特性，正成为量子技术（包括量子网络和光子量子计算机）的候选对象。虽然金刚石和碳化硅已是成熟的宿主材料，但硅（Si）由于其成熟的半导体基础设施，在可扩展性和集成潜力方面具有优势。在各种硅缺陷中，M中心因其电信波段发射和顺磁基态而成为备受关注的候选者，其特征与研究充分的T中心相似。M中心最早于1973年在经电子辐照的p型Cz硅中被观察到，其零声子线（ZPL）位于0.760 eV（1631 nm）。尽管近期的第一性原理计算提出了一种由碳-氢复合物（$C_sC_iC_sH_i$）组成的原子结构，但对其结构的直接实验验证以及对其电子精细结构的详细理解仍不完整。具体而言，需要进一步研究主M中心ZPL附近的发射线起源，以区分其属于M中心的激发态、构型的扰动，还是完全不同的缺陷。

方法论
作者使用浮区法（FZ）和硅基绝缘体（SOI）晶圆制备了样品。制造过程包括：

1. 离子注入： 样品使用$^{13}$C离子在33 keV能量下进行注入。测试了三种通量（$5\times10^{13}$、$1\times10^{14}$ 和 $5\times10^{14}$ cm$^{-2}$）。同时制作了一系列使用$^{12}$C离子的样品，以研究同位素效应。
2. 退火与氢化： 碳注入后，样品经过快速热退火（1000 °C，20 s）。沉积了一层牺牲铝层，以使碳和氢的注入分布对齐。随后在25 keV下注入氢，最后移除铝层。
3. 最终退火： 样品在$N_2$气氛下于300 °C或575 °C下退火3分钟，以优化缺陷形成。
4. 光学表征： 使用400 nm连续波激光进行光致发光（PL）测量。在低温条件下（起始于约3.7 K）使用高分辨率成像光谱仪和InGaAs探测器阵列获取光谱。进行了温度依赖性扫描（3.7 K至70 K）和偏振依赖性测量，以分析热猝灭和对称性。

关键结果
研究识别出了围绕主M中心ZPL（标记为M1，约761.2 meV）的丰富精细结构：

• 卫星峰： 观察到了五个额外的发射线。其中三个相对于M1发生蓝移，分别为1.1 meV（$M_{b1}$）、2.8 meV（$M_{b2}$）和3.6 meV（$M_{b3}$）。两个发生红移，分别为4.7 meV（$M_{r1}$）和6.4 meV（$M_{r2}$）。
• 通量依赖性： 蓝移峰（$M_{b1}$、$M_{b2}$、$M_{b3}$）的强度在低注入通量（$5\times10^{13}$ cm$^{-2}$）的样品中显著高于高通量样品。在最高通量（$5\times10^{14}$ cm$^{-2}$）下，M中心发射无法检测到，表明高通量抑制了形成或促进了竞争性的非辐射中心。红移峰未表现出显著的通量依赖性。
• 同位素无关性： 在使用$^{12}$C与$^{13}$C注入的样品之间，未观察到卫星峰的偏移。这种缺乏同位素位移的现象表明，这些峰并非源于依赖于碳质量的局部振动模式，而是源于扰动或不同的缺陷构型。
• 热行为：
  • 大多数峰在30 K以上表现出正常的热猝灭。
  • $M_{b2}$峰（2.8 meV蓝移）在低温下（<30 K）表现出负热猝灭现象，即其强度随温度升高而增加，随后在较高温度下发生猝灭。
  • 通过对$M_{b2}$强度的阿伦尼乌斯（Arrhenius）分析，得出其热激活能为1.5 meV。
  • $M_{b2}$是唯一在575 °C退火处理后仍能检测到的卫星线，而在该温度下的$^{13}$C样品中，主M中心信号基本被抑制或消失。
• 偏振： T中心和M中心系都表现出四重旋转各向异性的偏振依赖性，这与在硅晶格中预期的低对称性缺陷一致。

结论与意义
本文报告了M中心发射光谱中精细结构的观测。基于实验数据，作者提出了以下解释：

• $M_{b2}$峰（2.8 meV蓝移）可能起源于M中心的第二个激发态。其负热猝灭行为以及提取出的1.5 meV激活能支持了这一观点，该能量与T中心中结合激子能级之间的间距相当。
• **其余蓝移峰（$M_{b1}, M_{b3}$）和红移峰（$M_{r1}, M_{r2}$）**表现出正常的热猝灭，且不受碳同位素取代或注入通量的影响。因此，作者认为这些峰可能源于具有相似发射能量的其他缺陷或M中心受扰动的构型，而非主M中心结构的固有激发态或振动边带。
• 本工作的意义在于为M中心的电子结构提供了新的实验见解。通过表征这些卫星线的热行为和通量依赖性，本研究有助于区分固有激发态与外来缺陷。这种理解对于开发可靠的M中心制造和缺陷工程方案至关重要，因为M中心凭借其电信波段发射和顺磁特性，是实现自旋-光子接口和量子网络应用的潜在候选者。