深圳技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)利用激光加工氮化硼實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高性能量子光源

鑒于此，深圳技術(shù)大學(xué)集成電路與光電芯片學(xué)院院長(zhǎng)寧存政教授團(tuán)隊(duì)將激光加工的可控性大規(guī)模制作能力和二維寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化硼（hBN）的優(yōu)異性質(zhì)相結(jié)合，解決了目前單光子光源存在的的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了空間可控地大規(guī)模制作高純度、高亮度的單光子光源。

六方氮化硼(hBN)是一種新的寬帶半導(dǎo)體，由于其層狀結(jié)構(gòu)、容易剝離成薄層甚至單分子層厚度、優(yōu)異的材料性質(zhì)和易于同其它二維材料集成等特點(diǎn)，近年來(lái)受到極大關(guān)注。特別是，人們發(fā)現(xiàn)在六方氮化硼中可以制備出室溫下的單光子源，并且其具有穩(wěn)定性好和易于集成的特點(diǎn)，使其成為最有希望走向?qū)嶋H應(yīng)用的單光子源。目前研究人員通常是通過(guò)對(duì)hBN高溫退火、化學(xué)腐蝕、電子束/離子束/中子輻照、應(yīng)力誘導(dǎo)等方法產(chǎn)生單光子源。雖然這些方法都可以在hBN中制備出單光子，但是都存在某些缺點(diǎn)，比如所產(chǎn)生的單光子源性亮度或者純度不高，單光子源產(chǎn)率低或者對(duì)所加工的設(shè)備和工藝要求很高等。因此，有必要探索一種簡(jiǎn)單高效制備高質(zhì)量單光子源的方法。

激光加工單光子源是通過(guò)超短強(qiáng)脈沖照射產(chǎn)生的缺陷作為發(fā)光光源，這種做法具有空間可控、可大規(guī)模制作的優(yōu)勢(shì)，但以前的做法由于熱效應(yīng)沒(méi)有很好解決，效率和純度存在問(wèn)題。此次研究的主要做法是通過(guò)對(duì)單脈沖參數(shù)的優(yōu)化，空間給定點(diǎn)只進(jìn)行單脈沖照射，有效地避免了熱效應(yīng)和低純度問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過(guò)單脈沖飛秒激光照射的方法，在hBN薄層上實(shí)現(xiàn)了單光子源的高效制作。每100個(gè)單脈沖飛秒激光照射位置中可以產(chǎn)生43個(gè)單光子源，是目前自上而下制作方法中產(chǎn)率最高的一種，并且制作得到單光子源的純度及亮度都很高，其中衡量單光子指標(biāo)的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g2(0) 最小值為 0.06 ± 0.03，單光子發(fā)射強(qiáng)度最高為8.69 Mcps，是目前制作得到的最亮的單光子源之一。此外，飛秒激光直寫技術(shù)對(duì)材料的加工基于多光子吸收等非線性過(guò)程，可以突破衍射極限誘導(dǎo)產(chǎn)生人為可控的高空間分辨的微納結(jié)構(gòu)，不需要昂貴的微納加工設(shè)備及工藝條件，并且可以用于大規(guī)模的生產(chǎn)。



圖1 制備得到的不同尺寸缺陷結(jié)構(gòu)陣列(a)及相應(yīng)的光致發(fā)光圖像(b)(c).(d)為統(tǒng)計(jì)得到的不同尺寸下單光子源產(chǎn)率。

圖1a到c展示了四個(gè)不同尺寸的缺陷圖案以及相應(yīng)的光致發(fā)光圖像。圖1d展示了總?cè)毕輸?shù)目中產(chǎn)生單光子（g2(τ) < 0.5）缺陷的百分比，即單光子產(chǎn)率。如圖 1d 所示。單光子源的產(chǎn)率隨缺陷圖案尺寸的增加而增大，在 3.0 μm 大小的缺陷圖案中達(dá)到最高的 42.9%的產(chǎn)率，是目前所有自上而下制作方法中最高的。隨后隨著尺寸進(jìn)一步增大，單光子源產(chǎn)率逐漸降低。



圖2 (a) 制作出最高亮度單光子源的光子發(fā)射速率跟泵浦功率關(guān)系。(b)一個(gè)典型單光子源的發(fā)光峰及其二階關(guān)聯(lián)函數(shù)(插圖)。

圖2a中黑色曲線顯示的是單光子源光子發(fā)射速率跟泵浦功率的關(guān)系，經(jīng)過(guò)擬合可以得到飽和光子發(fā)射速率為 8.69 Mcps，這是目前使用自上而下加工技術(shù)制作的單光子源中亮度最高的。圖2b顯示的是一個(gè)制作出來(lái)單光子源典型的發(fā)光峰，發(fā)光峰波長(zhǎng)在540nm左右。插圖中顯示的是其二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，其中g(shù)2(0)為 0.06±0.03，說(shuō)明單光子源純度高。這是因?yàn)槲覀兝玫氖菃蚊}沖飛秒激光，它避免了高重頻脈沖激光的熱效應(yīng)導(dǎo)致的材料損傷。除了上述高效制作高質(zhì)量單光子源的優(yōu)勢(shì)外，該方法還對(duì)襯底無(wú)損傷，并且具有大規(guī)模制作的能力，為hBN單光子源在量子集成光學(xué)芯片中的應(yīng)用開(kāi)辟了一條有效途徑。

相關(guān)成果以“Large-Scale, High-Yield Laser Fabrication of Bright and Pure Single-Photon Emitters at Room Temperature in Hexagonal Boron Nitride”為題近期發(fā)表于 ACS Nano雜志上，寧存政為通信作者，甘霖和張聃旸為共同第一作者。寧存政曾為清華大學(xué)電子工程系教授，現(xiàn)任深圳技術(shù)大學(xué)集成電路與光電芯片學(xué)院院長(zhǎng)、講席教授。甘霖為清華大學(xué)電子工程系助理研究員，張聃旸為博士生。該工作完成單位包括深圳技術(shù)大學(xué)集成電路與光電芯片學(xué)院和清華大學(xué)電子工程系。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。