量子ドット太陽電池とペロブスカイト太陽電池における界面エンジニアリングと界面電荷移動ダイナミクス

電気通信大学201

Défauts ponctuels dans le nitrure d’aluminium pour les technologies quantiques

Les défauts ponctuels affectent fortement les propriétés électroniques et optiques des semi-conducteurs : une meilleure compréhension de l'impact de ces défauts sur les performances des dispositifs basés sur ces matériaux est donc d'un grand intérêt technologique. Ces dernières années, il a été démontré que les défauts ponctuels possédaient des propriétés intéressantes pour les applications liées à l'informatique, à la détection et à la communication quantiques. Les défauts ponctuels dans l'AlN ont récemment attiré une attention considérable en raison de leur capacité à agir comme qubit pour les applications quantiques. En effet, les lacunes d'azote chargées négativement, les paires d'impuretés du groupe IV (Ge, Sn, Ti et Zr) et, plus récemment, les paires ions \mbox{métalliques-lacunes} (Y, La, Zr et Hf) dans l'AlN, ont été théoriquement signalées comme des candidats prometteurs pour les qubits. Cette thèse présente le résultat de l'étude de divers nouveaux défauts ponctuels dans l'AlN pour des applications en technologie quantique. L'objectif principal de ce projet exploratoire est de déterminer l'influence de différentes espèces d'implantation et de différentes conditions de recuit thermique sur la création de défauts ponctuels dans l'AlN. Deux types de films d'AlN sont étudiés dans cette thèse, à savoir l'AlN en couche mince épitaxié sur un substrat de saphir et une couche d'AlN mince polycristallin déposé par pulvérisation cathodique sur un substrat de silicium hautement dopé. Tout d'abord, nous avons étudié la formation de défauts dans les films d'AlN (sur le substrat de saphir), soumis à l'implantation soit d'ions d'hydrogène ou soit d'ions de titane à haute énergie, suivie d'un recuit thermique sous une sous atmosphère d'argon à différentes températures. La diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman montrent que les espèces d'ions et le processus d'implantation peuvent modifier la quantité de déformation locale dans les films d'AlN. La spectroscopie de résonance de spin électronique révèle des pics de résonance avec une valeur de g supérieure à celle d'un électron libre (2,0023) pour les films d'AlN implantés (H ou Ti) après un recuit de 1 heure à 1050 $^{\circ}C$. L'origine de ces pics est attribuée à différents types de défauts ponctuels. Pour le film implanté Ti-, en plus du pic central, un pic de résonance à la demie valeur du champ magnétique a été détecté et attribué à un triplet de spin (S=1) qui pourrait être intéressant pour des applications quantiques. Les propriétés optiques des défauts dans les films AlN implantés en H et en Ti ont été étudiées à l'aide d'un configuration de photoluminescence conventionnelle via une excitation à 532 nm et à 266 nm. En raison du niveau élevé du signal de fond qui provient très probablement du substrat de saphir, nous n'avons pas pu détecter de signal de luminescence en provenance de défauts ponctuels isolés dans l'AlN. Nous avons donc décidé de concentrer le reste de nos études à des films d'AlN sur un substrat de silicium fortement dopé. Ces films substrat de silicium ont été implantés avec des ions hydrogène, titane, zirconium, et hafnium. Afin de réparer partiellement les dommages structurels causés par le bombardement ionique, les échantillons implantés ont été recuits à différentes températures et sous différentes atmosphères, notamment de l'argon, l'azote et le gaz mélange (désigné forming gaz en anglais avec l'acronyme (FG, 95 \% d'azote + 5 \% d'hydrogène). Nos résultats montrent que les spectres de photoluminescence de la plupart des échantillons recuits et du film d'AlN sont très similaires ce qui montre qu'aucun nouveau défaut n'a été introduit dans l'AlN. La seule exception concerne les films AlN implantés de Zr. Pour les films d'AlN soumis à l'implantation d'ions Zr à haute énergie, des mesures de diffraction des rayons X, de spectroscopie Raman, de microscopie électronique à balayage et de microscopie à force atomique montrent que les propriétés structurelles et morphologiques des films AlN implantés au Zr dépendent de l'environnement gazeux du recuit thermique. Le recuit \mbox{post-implantation} sous atmosphère d'argon donne une rugosité de surface la plus faible avec une taille de grain accrue tandis que les échantillons recuits sous atmosphère de FG ont montré un niveau élevé de récupération des dommages et la plus faible quantité d'oxygène en proximité de la surface. La spectroscopie de photoluminescence a révélé de multiples défauts ponctuels et des bandes d'émission liées aux complexes de défauts dans la gamme visible. Une série de bandes d'absorption a été observées en utilisant la spectroscopie d'excitation par photoluminescence. En comparaison avec le film d'AlN tel que déposé, de nouveaux pics d'émission et d'absorption à 1.7 eV (730 nm) et 2.6 eV (466 nm), respectivement, ont été identifiés et attribués aux complexes de défauts $(Zr_{Al}-V_{N})^{0}$. Afin d'étudier l'émission de ces complexes de défauts $(Zr_{Al}-V_{N})^{0}$, nous avons conçu un montage micro-PL au sein de notre équipe de recherche. En utilisant ce montage, les propriétés optiques des émetteurs dans les films d'AlN implantés en Zr ont été étudiées. Le but de cette étude était d'examiner le potentiel de ces défauts ponctuels pour des applications aux sources de photons uniques. Par conséquent, nous avons choisi les échantillons qui ont été recuits sous atmosphère de gaz mélange FG en raison de leurs faibles dommages structurels et du faible niveau d'oxygène présent en surface. Nos résultats révèlent des points brillants de taille micrométrique avec une raie fine sans phonon (ZPL) à 4 K autour de 685.5 nm (1.808 eV) et une bande latérale phononique de plus faible énergie visible autour de 700 nm. Sur la base de nos études précédentes, ces raies sont attribuées aux complexes $(Zr_{Al}-V_{N})^{0}$. Nos résultats ont montré un facteur de \mbox{Debye-Waller} relativement élevé autour de 18,5\% à 4K, ce qui pourrait être intéressant pour les applications quantiques à photons uniques. Cependant, pour étudier le potentiel de ces défauts en tant qu'émetteurs de photons uniques, une mesure d'antibunching $g^{(2)}(\tau)$ est fortement recommandée. Nos recherches sur les films d'AlN implantés avec Hf et Ti n'ont pas révélé l'apparition de nouveaux pics de PL. De plus, aucun signal ESR n'a été détecté dans ces échantillons. Ce manque de signal pourrait être attribué à la température de recuit relativement basse utilisée dans notre étude, qui pourrait ne pas avoir été suffisante pour permettre une récupération complète des films d'AlN endommagés par l'implantation. La structure cristalline différente du film d'AlN pourrait également avoir joué un rôle dans l'absence de signal ESR. De plus, la faible concentration de défauts paramagnétiques présents dans les échantillons pourrait également avoir contribué à l'absence de signal. Il est important de noter que notre étude n'a pas totalement exclu la possibilité d'apparition de pics de PL ou de signaux ESR avec des températures de recuit plus élevées ou différents paramètres d'implantation. Des investigations supplémentaires sur les effets de la variation de ces paramètres sur les propriétés des films d'AlN implantés avec Hf et Ti pourraient fournir des informations précieuses sur le comportement de ces matériaux dans différentes conditions. D'un point de vue général, les résultats de la présente étude montrent que l'ingénierie des défauts ponctuels dans l'AlN est intéressante pour les applications quantiques ainsi que pour le développement de matériaux optoélectroniques. Des améliorations doivent encore être apportées à ces procédés afin d'augmenter la densité de ces défauts ponctuels, tout en minimisant la présence d'agrégats de défauts et l'apparition d'un fort niveau de signal de PL \mbox{large-bande}.Abstract: Point defects strongly affect the electronic and optical properties of semiconductors: a better understanding of the impact of these defects on the performance of devices based on these materials is therefore of great technological interest. Over recent years, point defects have been shown to possess properties of interest for applications related to quantum computing, sensing, and communication. Point defects in AlN recently attracted considerable attention due to their ability to act as a qubit for quantum applications. Indeed, negatively charged nitrogen vacancies, group IV impurity (Ge, Sn, Ti, and Zr)–vacancy pairs, and, more recently, large metal ion (Y, La, Zr, and Hf )–vacancy pairs in AlN, have been theoretically reported as promising qubit candidates. This thesis presents the result of the study of various new point defects in AlN for quantum technology applications. The main goal of this exploratory project is to determine the influence of different implantation species and different thermal annealing conditions on the creation of point defects in AlN. Two types of AlN films were studied in this thesis, namely, single crystal AlN on the sapphire substrate and polycrystalline AlN layer on a highly-doped silicon substrate. First, we studied the formation of defects in AlN films (on the sapphire substrate), subjected to high-energy hydrogen and titanium ion implantation followed by thermal annealing under argon atmosphere at different temperatures. X-ray diffraction and Raman spectroscopy show that ion species and the implantation process could alter the amount of local strain in AlN films. Electron spin resonance spectroscopy reveals resonance peaks with g-value higher than that one of a free electron (2.0023) for both H-implanted and Ti-implanted AlN films after annealing for 1h at 1050 ◦C. The origin of these peaks is attributed to different types of point defects. For the Ti-implanted film, in addition to the central peak, a half-field resonance peak has been detected and assigned to spin-triplet (S=1), which might be interesting for quantum applications. The optical properties of defects in H-implanted and Ti-implanted AlN films were studied using a conventional PL setup exciting at 532 nm and 266 nm. It should be noted that the PL studies of the samples revealed a broad background, which could be associated with the sapphire substrate. This broad peak could potentially mask the PL peaks originating from point defects in AlN. Therefore, our subsequent studies will focus on the AlN films grown on highly doped Si substrates. Consequently, we have not examined the effects of Zr and Hf implantation on these AlN films. AlN on the silicon substrate films were implanted with hydrogen, titanium, zirconium, and Hafnium ions. To partially repair the structural damage caused by ion bombardment, the implanted samples were annealed at different temperatures and under different atmospheres including argon, nitrogen, and forming gas (FG, 95 % nitrogen + 5 % hydrogen). Our results show that the photoluminescence spectra of most of the annealed samples and the as-grown AlN films are very similar, which demonstrates that no new defects were introduced in AlN. The only exception was the Zr-implanted AlN films. For the AlN films subjected to high-energy Zr ion implantation, the X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and atomic force microscopy measurements show that the structural and morphological properties of the Zr-implanted AlN films depend on the annealing gaseous environment. Post-implantation annealing under argon atmosphere yields the lowest structured surface roughness with increased grain size while the samples annealed under the forming gas atmosphere showed a high level of damage recovery and the lowest amount of oxygen in close proximity to the surface. Photoluminescence spectroscopy revealed multiple point defects and defect complexes related to emission bands in the visible range. A series of absorption bands have been observed using photoluminescence excitation spectroscopy. Compare to as-deposited AlN film, new emission and absorption peaks at 1.7 eV (730 nm) and 2.6 eV (466 nm), respectively, have been identified and attributed to the (ZrAl − VN )0 defect complexes. To study the emission from (ZrAl −VN )0 defect complexes, we designed a micro-PL setup whitin our research team. Using this setup, the optical properties of the emitters in Zr-implanted AlN films were studied. The study aimed to investigate the potential of these point defects for single photon emitter, applications. Hence, we chose the samples annealed under forming gas atmosphere due to their lower structural damage and the lowest level of oxygen at the surface. Our results reveal micrometer-sized bright spots with ZPL at 4 K at 685.5 nm (1.808 eV) and a lower energy phonon sideband around 700 nm. Based on our previous studies these spots are assigned to the (ZrAl−VN )0 defect complexes. Our results showed a relatively high Debye-Waller factor of around 18.5% at 4K, which might be interesting for quantum single-photon source applications. However, to investigate the potential of these defects as single-photon emitters an antibunching g(2)(τ) measurement is highly recommended. Our investigations into Hf and Ti-implanted AlN films on highly doped Si, did not reveal the emergence of any new PL peaks. Additionally, no ESR signal was detected in these samples. This lack of signal could be attributed to the relatively low annealing temperature employed in our study, which may not have been sufficient to facilitate the complete recovery of the AlN films from the damage caused by implantation. The different crystal structures of the AlN film may have also played a role in the absence of an ESR signal. Furthermore, the low concentration of paramagnetic defects present in the samples could have also contributed to the lack of signal. It is important to note that our study did not entirely rule out the possibility of PL peaks or ESR signals appearing with higher annealing temperatures or different implantation parameters. Further investigation into the effects of varying these parameters on the properties of Hf and Ti-implanted AlN films could provide valuable insights into the behavior of these materials under different conditions. Taken as a whole, the findings of this study underscore the importance of manipulating point defects in AlN for the purpose of advancing quantum applications and the development of optoelectronic materials. However, further refinements are necessary to enhance the density of these point defects, while concurrently minimizing the incidence of defect clusters and the occurrence of a high broadband PL signal level. Such improvements will be vital in ensuring the optimal performance of AlN-based devices for various applications, including sensing, photonics, and quantum information processing

Quantum Emission From Hexagonal Boron Nitride Monolayers

Atomically thin van der Waals crystals have recently enabled new scientific and technological breakthroughs across a variety of disciplines in materials science, nanophotonics and physics. However, non-classical photon emission from these materials has not been achieved to date. Here we report room temperature quantum emission from hexagonal boron nitride nanoflakes. The single photon emitter exhibits a combination of superb quantum optical properties at room temperature that include the highest brightness reported in the visible part of the spectrum, narrow line width, absolute photo-stability, a short excited state lifetime and a high quantum efficiency. Density functional theory modeling suggests that the emitter is the antisite nitrogen vacancy defect that is present in single and multi-layer hexagonal boron nitride. Our results constitute the unprecedented potential of van der Waals crystals for nanophotonics, optoelectronics and quantum information processing

Coherent electrical readout of defect spins in 4H-SiC by photo-ionization at ambient conditions

Quantum technology relies on proper hardware, enabling coherent quantum state control as well as efficient quantum state readout. In this regard, wide-bandgap semiconductors are an emerging material platform with scalable wafer fabrication methods, hosting several promising spin-active point defects. Conventional readout protocols for such defect spins rely on fluorescence detection and are limited by a low photon collection efficiency. Here, we demonstrate a photo-electrical detection technique for electron spins of silicon vacancy ensembles in the 4H polytype of silicon carbide (SiC). Further, we show coherent spin state control, proving that this electrical readout technique enables detection of coherent spin motion. Our readout works at ambient conditions, while other electrical readout approaches are often limited to low temperatures or high magnetic fields. Considering the excellent maturity of SiC electronics with the outstanding coherence properties of SiC defects the approach presented here holds promises for scalability of future SiC quantum devices

2D Saturable Absorbers for Fibre Lasers

© 2015.Two-dimensional (2D) nanomaterials are an emergent and promising platform for future photonic and optoelectronic applications. Here, we review recent progress demonstrating the application of 2D nanomaterials as versatile, wideband saturable absorbers for Q-switching and mode-locking fibre lasers. We focus specifically on the family of few-layer transition metal dichalcogenides, including MoS2, MoSe2 and WS2

Synthesis of Colloidal Mn2+:ZnO Quantum Dots and High-TC Ferromagnetic Nanocrystalline Thin Films

We report the synthesis of colloidal Mn2+-doped ZnO (Mn2+:ZnO) quantum dots and the preparation of room-temperature ferromagnetic nanocrystalline thin films. Mn2+:ZnO nanocrystals were prepared by a hydrolysis and condensation reaction in DMSO under atmospheric conditions. Synthesis was monitored by electronic absorption and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopies. Zn(OAc)2 was found to strongly inhibit oxidation of Mn2+ by O2, allowing the synthesis of Mn2+:ZnO to be performed aerobically. Mn2+ ions were removed from the surfaces of as-prepared nanocrystals using dodecylamine to yield high-quality internally doped Mn2+:ZnO colloids of nearly spherical shape and uniform diameter (6.1 +/- 0.7 nm). Simulations of the highly resolved X- and Q-band nanocrystal EPR spectra, combined with quantitative analysis of magnetic susceptibilities, confirmed that the manganese is substitutionally incorporated into the ZnO nanocrystals as Mn2+ with very homogeneous speciation, differing from bulk Mn2+:ZnO only in the magnitude of D-strain. Robust ferromagnetism was observed in spin-coated thin films of the nanocrystals, with 300 K saturation moments as large as 1.35 Bohr magneton/Mn2+ and TC > 350 K. A distinct ferromagnetic resonance signal was observed in the EPR spectra of the ferromagnetic films. The occurrence of ferromagnetism in Mn2+:ZnO and its dependence on synthetic variables are discussed in the context of these and previous theoretical and experimental results.Comment: To be published in the Journal of the American Chemical Society Web on July 14, 2004 (http://dx.doi.org/10.1021/ja048427j

Quantum Computing

Quantum mechanics---the theory describing the fundamental workings of nature---is famously counterintuitive: it predicts that a particle can be in two places at the same time, and that two remote particles can be inextricably and instantaneously linked. These predictions have been the topic of intense metaphysical debate ever since the theory's inception early last century. However, supreme predictive power combined with direct experimental observation of some of these unusual phenomena leave little doubt as to its fundamental correctness. In fact, without quantum mechanics we could not explain the workings of a laser, nor indeed how a fridge magnet operates. Over the last several decades quantum information science has emerged to seek answers to the question: can we gain some advantage by storing, transmitting and processing information encoded in systems that exhibit these unique quantum properties? Today it is understood that the answer is yes. Many research groups around the world are working towards one of the most ambitious goals humankind has ever embarked upon: a quantum computer that promises to exponentially improve computational power for particular tasks. A number of physical systems, spanning much of modern physics, are being developed for this task---ranging from single particles of light to superconducting circuits---and it is not yet clear which, if any, will ultimately prove successful. Here we describe the latest developments for each of the leading approaches and explain what the major challenges are for the future.Comment: 26 pages, 7 figures, 291 references. Early draft of Nature 464, 45-53 (4 March 2010). Published version is more up-to-date and has several corrections, but is half the length with far fewer reference

Investigation of wide bandgap semiconductors for room temperature spintronic, and photovoltaic applications

Suitability of wide bandgap semiconductors for room temperature (RT) spintronic, and photovoltaic applications is investigated. Spin properties of metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) – grown gadolinium-doped gallium nitride (GaGdN) are studied and underlying mechanism is identified. GaGdN exhibits Anomalous Hall Effect at room temperature if it contains oxygen or carbon atoms but shows Ordinary Hall Effect in their absence. The mechanism for spin and ferromagnetism in GaGdN is a combination of intrinsic, metallic conduction, and carrier-hopping mechanisms, and is activated by oxygen or carbon centers at interstitial or similar sites. A carrier-related mechanism in MOCVD-grown GaGdN at room temperature makes it a suitable candidate for spintronic applications. Zinc oxide (ZnO) doped with transition metals such as nickel and manganese and grown by MOCVD is investigated, and bandgap tunability is studied. A bandgap reduction with transition metal doping is seen in ZnO with dilute doping of nickel or manganese. Transition metals could introduce energy states in ZnO that result in a bandgap reduction and could be tuned and controlled by growth conditions and post-growth processing such as annealing, for spintronic and photovoltaic applications”--Abstract, page iii