Einzelne Farbzentren in Siliziumkarbid: elektrooptischer Zugang mittels epitaktischem Graphen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Farbzentren in Siliziumkarbid (SiC) sind interessante Quantensysteme für photonische Quantentechnologien. Im Vergleich zu Diamant besteht hier die Möglichkeit, elektronische und optische Signale technologisch auf derselben Plattform zu verknüpfen. Im Projekt “Einzelne Farbzentren in Siliziumkarbid: elektrooptischer Zugang mittels epitaktischem Graphen“ haben wir untersucht, welche Rolle Graphen dabei spielen könnte, das auf der (0001)-Fläche von 4H-SiC epitaktisch in sehr guter Qualität wächst. In einem ersten Schritt haben wir durch Ionenimplantation neue optisch aktive Punktdefekte erzeugt. Insbesondere haben wir zwei neue Defekte (TS-Defekt und DI-Defekt) identifiziert, die beim Ausheilen mit sehr hohen Temperaturen entstehen. Wir konnten eine sequentielle Defektentstehung bei zunehmender Ausheiltemperatur verfolgen. Beide Punktdefekte haben besondere, sehr interessante Eigenschaften. Epitaktisches Graphen auf der SiC-Oberfläche haben wir für diese Untersuchungen zur Unterdrückung störender, leuchtender Oberflächendefekte verwendet. Durch den Einsatz von Graphenelektroden wird das Portfolio der experimentellen Methoden deutlich verstärkt. Diese Elektroden sind weitestgehend transparent und man kann einen darunterliegenden Defekt wie die Siliziumfehlstelle VSi in ihrer charakteristischen Wellenlänge feinabstimmen, ohne die Symmetrie zu verändern. Das wird wichtig werden, wenn man nur fast identische Farbzentren auf eine identische Wellenlänge abstimmen will. Betrachtet man Siliziumfehlstellen zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden, so sind diese einem lateralen, symmetriereduzierendem Feld ausgesetzt, das zur spektralen Aufspaltung genutzt werden kann. Bei Verwendung von vier Graphenelektroden (Quadrupol) kann man durch Variation der Einstrahl- und Abstrahlrichtung und der Stärke des elektrischen Feldes ein räumliches Profil des Anregungsvektors ausmessen. Am Beispiel des TS-Defekts ließ sich zeigen, dass er einen Anregungsvektor besitzt, der die übernächsten Nachbarn im SiC-Kristall verbindet. Insgesamt hat sich gezeigt, dass transparente Graphenelektroden eine wertvolle Ergänzung des Methodenportfolios für die optische Untersuchung von Farbzentren darstellen, die insbesondere eine elektrostatische Beeinflussung der optischen Eigenschaften von Farbzentren ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sub-Bandgap Photoluminescence Study on Implantation-Induced Color Centers in 4H-SiC, International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2017, Washington DC, USA
Maximilian Rühl
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Controlled generation of intrinsic nearinfrared color centers in 4H-SiC via proton irradiation and annealing, Applied Physics Letters, 113 (2018) 122102
M. Rühl, C. Ott, S. Götzinger, M. Krieger, H.B. Weber
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Control of the Photoluminescence of the Silicon Vacancy in 4H Silicon Carbide by Electric Fields, International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2019, Kyoto, Japan
Maximilian Rühl
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Stark Tuning of the Silicon Vacancy in Silicon Carbide, Nano Lett, 20 (2020) 658-663
M. Rühl, L. Bergmann, M. Krieger, H.B. Weber
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"Intrinsic color centers in 4H-silicon carbide formed by heavy ion implantation and annealing". Journal of Physics D (2021)
Takuma Kobayashi, Maximilian Rühl, Johannes Lehmeyer, Leonard Zimmermann, Michael Krieger, and Heiko B. Weber
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Removing the orientational degeneracy of the TS defect in 4H-SiC by electric fields and strain, New Journal of Physics, 23 (2021) 073002
M. Rühl, J. Lehmeyer, R. Nagy, M. Weisser, M. Bockstedte, M. Krieger, H. B. Weber
