Spindefecten in hexagonaal boornitride gecreëerd door bombardement met heliumionen

Natuurkundigen van de National University of Singapore (NUS) hebben een methode ontwikkeld waarbij een gefocuste bundel heliumionen wordt gebruikt om arrays van defecten in hexagonaal boornitride (hBN) te creëren die mogelijk kunnen worden gebruikt voor magnetische detectietoepassingen.

Hexagonaal boornitride (hBN) is een tweedimensionaal (2D) materiaal bestaande uit boor- en stikstofatomen gerangschikt in een hexagonale roosterstructuur. Het vertoont unieke eigenschappen voor toepassingen in kwantumdetectie. Er zijn veel soorten defecten ontdekt in hBN en een daarvan, de negatief geladen boorvacature (V_B^–), is van bijzonder belang omdat het spin-eigenschappen bezit die het waardevol maken voor kwantumdetectietoepassingen.

In deze studie werd een straal van heliumionen met hoge energie geproduceerd in de versnellerfaciliteit van het Center for Ion Beam Applications (CIBA) van de afdeling Natuurkunde, NUS, gebruikt om hBN-vlokken te bestralen om V_B^– optische centra. De mogelijkheid om de ionenbundel te focussen op plekken van nanoformaat en om de bundel ruimtelijk te scannen, maakt het mogelijk om met hoge precisie patroonarrays van optische emitters te vervaardigen.

Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Andrew Bettiol en het team onder leiding van universitair hoofddocent Goki Eda, beide van het Department of Physics, NUS. De V_B^– optisch defectcentrum dat, geproduceerd door de experimenten van het onderzoeksteam, enkele interessante eigenschappen vertoont wanneer het wordt blootgesteld aan microgolfenergie. Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde optische materialen.

Een spectroscopische techniek die bekend staat als Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) werd gebruikt om kleine magnetische velden in de experimenten waar te nemen. Deze techniek combineert de principes van magnetische resonantie en optische spectroscopie om de eigenschappen van paramagnetische materialen en hun interactie met elektromagnetische straling te bestuderen.

Eerst wordt een groene laser gebruikt om de V_B^– defectcentrum zodat het licht uitzendt met een golflengte van ongeveer 810 nm, wat zich in het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum bevindt. Een koperen antenne wordt vervolgens gebruikt om een ​​specifieke microgolffrequentie te genereren in de buurt van het hBN-monster. Deze microgolfenergie initialiseert het defect in een spintoestand die resulteert in een vermindering van de door het defect uitgezonden lichtintensiteit. De microgolffrequentie wordt afgestemd totdat een daling van de lichtintensiteit wordt gedetecteerd. Dit gebeurde bij ongeveer 3,48 GHz, waar een dubbele dip in de fotoluminescentie-intensiteit werd waargenomen. Zodra de microgolfresonantiefrequentie is gevonden, is de sensor klaar voor gebruik om magnetische velden te detecteren.

Prof Bettiol zei: “Door deze unieke eigenschap van hBN te gebruiken, zal een klein magnetisch veld dat soms voorkomt in biologische systemen of in magnetische materialen de resonantiefrequentie verschuiven en dit zal ervoor zorgen dat de lichtemissie van de sensor wordt hersteld. De lichtemissie van de V_B^– optisch defectcentrum biedt een middel om het lokale magnetische veld optisch te detecteren.”

Prof Eda voegde eraan toe: “hBN is een veelzijdig materiaal dat gemakkelijk kan worden geïntegreerd in on-chip-apparaten. Onze demonstratie om met hoge precisie spindefecten in hBN te creëren, is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van on-chip magnetische sensoren.”