Spindefekte in hexagonalem Bornitrid, die durch Heliumionenbeschuss entstehen

21. Juli 2023

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von der National University of Singapore

Physiker der National University of Singapore (NUS) haben eine Methode entwickelt, bei der mithilfe eines fokussierten Heliumionenstrahls Anordnungen von Defekten in hexagonalem Bornitrid (hBN) erzeugt werden, die möglicherweise für magnetische Sensoranwendungen verwendet werden können.

Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein zweidimensionales (2D) Material, das aus Bor- und Stickstoffatomen besteht, die in einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet sind. Es weist einzigartige Eigenschaften für Anwendungen in der Quantensensorik auf. In hBN wurden viele Arten von Defekten entdeckt und einer von ihnen, die negativ geladene Bor-Leerstelle (VB–), ist von besonderem Interesse, da sie Spineigenschaften besitzt, die sie für Quantensensoranwendungen wertvoll machen.

In dieser Studie wurde ein Strahl hochenergetischer Heliumionen, der in der Beschleunigeranlage des Center for Ion Beam Applications (CIBA) im Fachbereich Physik der NUS erzeugt wurde, zur Bestrahlung von hBN-Flocken verwendet, um optische VB–-Zentren zu erzeugen. Die Fähigkeit, den Ionenstrahl auf nanoskalige Punkte zu fokussieren und den Strahl räumlich abzutasten, ermöglicht die Herstellung strukturierter Arrays optischer Emitter mit hoher Präzision.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen einem Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Andrew Bettiol und dem Team unter der Leitung von Associate Professor Goki Eda, beide vom Department of Physics, NUS. Das optische Defektzentrum VB–, das durch die vom Forschungsteam durchgeführten Experimente erzeugt wurde, zeigt einige interessante Eigenschaften, wenn es Mikrowellenenergie ausgesetzt wird. Diese Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Optical Materials veröffentlicht.

In den Experimenten wurde eine spektroskopische Technik namens Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) verwendet, um winzige Magnetfelder zu erfassen. Diese Technik kombiniert die Prinzipien der Magnetresonanz und der optischen Spektroskopie, um die Eigenschaften paramagnetischer Materialien und ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung zu untersuchen.

Zunächst wird ein grüner Laser verwendet, um das VB-Defektzentrum anzuregen, sodass es Licht mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm emittiert, was im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Anschließend wird eine Kupferantenne verwendet, um eine bestimmte Mikrowellenfrequenz in der Nähe der hBN-Probe zu erzeugen. Diese Mikrowellenenergie initialisiert den Defekt in einen Spin-Zustand, der zu einer Verringerung der vom Defekt emittierten Lichtintensität führt. Die Mikrowellenfrequenz wird so lange eingestellt, bis ein Abfall der Lichtintensität festgestellt wird. Dies geschah bei etwa 3,48 GHz, wo ein doppelter Abfall der Photolumineszenzintensität beobachtet wurde. Sobald die Mikrowellenresonanzfrequenz gefunden ist, ist der Sensor einsatzbereit zur Erkennung von Magnetfeldern.

Prof. Bettiol sagte: „Durch die Nutzung dieser einzigartigen Eigenschaft von hBN verschiebt ein winziges Magnetfeld, das manchmal in biologischen Systemen oder in magnetischen Materialien auftritt, die Resonanzfrequenz und dies führt dazu, dass die Lichtemission des Sensors wiederhergestellt wird. Die Lichtemission.“ vom VB– optischen Defektzentrum bietet eine Möglichkeit, das lokale Magnetfeld optisch zu erfassen.“

Prof. Eda fügte hinzu: „hBN ist ein vielseitiges Material, das problemlos in On-Chip-Geräte integriert werden kann. Unsere Demonstration, Spindefekte in hBN mit hoher Präzision zu erzeugen, ist ein wichtiger Schritt zur Realisierung von On-Chip-Magnetsensoren.“

Mehr Informationen: Haidong Liang et al., Hochempfindliche Spindefekte in hBN, erzeugt durch hochenergetische He-Strahlenbestrahlung, Advanced Optical Materials (2022). DOI: 10.1002/adom.202201941

Zeitschrifteninformationen:Fortschrittliche optische Materialien

Zur Verfügung gestellt von der National University of Singapore