Spindefekter i hexagonalt bornitrid skabt af heliumionbombardement

Fysikere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet en metode, der bruger en fokuseret stråle af heliumioner til at skabe arrays af defekter i hexagonal bornitrid (hBN), som potentielt kan bruges til magnetisk sensing-applikationer.

Hexagonal bornitrid (hBN) er et todimensionelt (2D) materiale, der består af bor- og nitrogenatomer arrangeret i en sekskantet gitterstruktur. Det udviser unikke egenskaber til applikationer inden for kvanteregistrering. Mange typer af defekter er blevet opdaget i hBN, og en af ​​dem, den negativt ladede bor ledighed (V_B ^– ), er af særlig interesse, da den besidder spin-egenskaber, der gør den værdifuld til kvanteregistreringsapplikationer.

I denne undersøgelse blev en stråle af højenergi heliumioner produceret ved acceleratoranlægget ved Center for Ion Beam Applications (CIBA) i Institut for Fysik, NUS brugt til at bestråle flager af hBN for at generere V_B ^– optiske centre. Evnen til at fokusere ionstrålen til pletter i nanostørrelse og til rumlig scanning af strålen gør det muligt at fremstille mønstrede arrays af optiske emittere med høj præcision.

Arbejdet er resultatet af et samarbejde mellem et forskerhold ledet af lektor Andrew Bettiol og holdet ledet af lektor Goki Eda, begge fra Institut for Fysik, NUS. V_B ^– optisk defektcenter, som er fremstillet gennem de eksperimenter, som forskerholdet har udført, viser nogle interessante egenskaber, når det udsættes for mikrobølgeenergi. Denne undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Optical Materials .

En spektroskopisk teknik kendt som Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) blev brugt til at fornemme små magnetiske felter i eksperimenterne. Denne teknik kombinerer principperne for magnetisk resonans og optisk spektroskopi for at studere egenskaberne af paramagnetiske materialer og deres interaktion med elektromagnetisk stråling.

Først bruges en grøn laser til at excitere V_B ^– defektcenter, så det udsender lys ved en bølgelængde på omkring 810 nm, som er i den nære infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. En kobberantenne bruges derefter til at generere en specifik mikrobølgefrekvens nær hBN-prøven. Denne mikrobølgeenergi initialiserer defekten til en spin-tilstand, der resulterer i reduktionen i lysintensiteten, der udsendes af defekten. Mikrobølgefrekvensen indstilles, indtil der registreres et fald i lysintensiteten. Dette skete ved cirka 3,48 GHz, hvor et dobbelt dyk i fotoluminescensintensiteten blev observeret. Når mikrobølgeresonansfrekvensen er fundet, er sensoren klar til brug til at detektere magnetiske felter.

Prof Bettiol sagde:"Ved at bruge denne unikke egenskab udstillet af hBN, vil et lille magnetfelt, der nogle gange forekommer i biologiske systemer eller i magnetiske materialer, ændre resonansfrekvensen, og dette vil medføre, at lysemissionen fra sensoren genoprettes. Lysemissionen fra V_B ^– optisk defektcenter giver et middel til optisk at detektere det lokale magnetfelt."

Prof Eda tilføjede, "hBN er et alsidigt materiale, der let kan integreres i on-chip-enheder. Vores demonstration af at skabe spindefekter i hBN med høj præcision er et vigtigt skridt hen imod realisering af on-chip magnetiske sensorer."

Flere oplysninger: Haidong Liang et al., High Sensitivity Spin Defects in hBN Created by High-Energy He Beam Irradiation, Advanced Optical Materials (2022). DOI:10.1002/adom.202201941

Journaloplysninger: Avancerede optiske materialer

Leveret af National University of Singapore