Silizium-Vakanz Farbzentren in Phosphor-dotiertem Diamant für helle Einzelphotonenemission unter elektrischem Pumpen

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Agio
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410405168

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Effiziente und skalierbare Einzelphotonenquellen sind für die Entwicklung zahlreicher Quanteninformationstechnologien wie optische Quantencomputer und sichere Kommunikationsleitungen entscheidend. Farbzentren sind Punktdefekte im Kristallgitter, die sich fast wie isolierte Atome verhalten. Diese Eigenschaft ermöglicht eine helle Photo- und Elektrolumineszenz mit einem scharfen Emissionsspektrum. Es ist jedoch eine Herausforderung, skalierbare und reproduzierbare Technologien auf der Basis dieser Emitter zu entwickeln. Insbesondere ist es schwierig, sie präzise mit photonischen und elektronischen Nanostrukturen zu kombinieren, die zum Erzielen einer hohen Helligkeit und Kontrolle benötigt werden. Ziel dieses Projekts war die Entwicklung und Untersuchung einer neuartigen Klasse heller SPS auf Diamant, die unter Umgebungsbedingungen arbeiten und effizient elektrisch angetrieben werden können. Der Schwerpunkt lag auf einem neuartigen elektrischen Pumpschema auf Basis einer Schottky-Diode, das die Möglichkeit bietet, Minoritätsladungsträger effizient direkt aus dem Metall in Diamant zu injizieren und keine komplexen und teuren p-i-n-Diamantübergänge erfordert. Wir haben Silizium-Leerstellen-Farbzentren (SiV) in phosphordotiertem Diamant erzeugt und deren Einzelphotonen-Emissionseigenschaften untersucht. Als nächstes erhielten wir Schottky-Dioden durch die Herstellung geeigneter Goldkontakte. Mit solchen Geräten haben wir die Möglichkeit der elektrischen Anregung von SiV- Zentren bei Raumtemperatur und höherer Temperatur demonstriert. Damit haben wir einen Machbarkeitsnachweis für eine diamantbasierte Lichtquelle im Chip-Maßstab erbracht, die als neuartige SPS für Quanteninformation und Quantenkommunikation, aber auch als neue Klasse von Leuchtdioden auf Diamantbasis dienen und diese inspirieren wird. Unsere Aktivitäten haben auch wertvolle Erkenntnisse in der Nanophotonik und Materialwissenschaft generiert, die auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden sollen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Exploring ultrafast single-photon emission of silicon-vacancy color centers in diamond nano-membranes coupled with gold nano-cones. Quantum Nanophotonic Materials, Devices, and Systems 2019, 5. SPIE.
  Kambalathmana, Haritha; Flatae, Assegid Mengistu; Lagomarsino, Stefano; Galal, Hossam; Tantussi, Francesco; Messina, Gabriele C.; Wörner, Eckart; Wild, Christoph; Gelli, Nicla; Sciortino, Silvio; Giuntini, Lorenzo; De Angelis, Francesco & Agio, Mario
  
• Optical studies of silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond, DPG Spring Meeting, Hannover 2020 Q.46.1 (2020)
  F. Sledz, A.M. Flatae, S. Lagomarsino, N. Soltani, S.S. Nicley, K. Haenen, R. Rechenberg, M.F. Becker & M. Agio
  
• Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond, Diamond and Related Materials 105, 107797 (2020)
  A. M. Flatae, S. Lagomarsino, F. Sledz, N. Soltani, S. S. Nicley, K. Haenen, R. Rechenberg, M. F. Becker, S. Sciortino, N. Gelli, L. Giuntini, F. Taccetti & M. Agio
  
• Creation of Silicon-Vacancy Color Centers in Diamond by Ion Implantation. Frontiers in Physics, 8.
  Lagomarsino, S.; Flatae, A. M.; Kambalathmana, H.; Sledz, F.; Hunold, L.; Soltani, N.; Reuschel, P.; Sciortino, S.; Gelli, N.; Massi, M.; Czelusniak, C.; Giuntini, L. & Agio, M.
  
• LED und Herstellungsverfahren dafür, Patent Pending Nr. DE102021123907.9, German Patent Office (2021)
  F. Sledz, L. Hunold, N. Soltani, A. Flatae & M. Agio
  
• Optical properties of silicon-implanted polycrystalline diamond membranes. Carbon, 174, 295-304.
  Kambalathmana, H.; Flatae, A.M.; Hunold, L.; Sledz, F.; Müller, J.; Hepp, M.; Schmuki, P.; Killian, M.S.; Lagomarsino, S.; Gelli, N.; Sciortino, S.; Giuntini, L.; Wörner, E.; Wild, C.; Butz, B. & Agio, M.
  
• Photoluminescence of nitrogen-vacancy and silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond at room and higher temperatures, Nuovo Cimento C 44, 106 (2021);
  F. Sledz, S. Piccolomo, A. M. Flatae, S. Lagomarsino, R. Rechenberg, M. F. Becker, S. Sciortino, N. Gelli, I. A. Khramtsov, D. Yu. Fedyanin, L. Giuntini, G. Speranza & M. Agio
  
• Scalable Creation of Deep Silicon‐Vacancy Color Centers in Diamond by Ion Implantation through a 1‐μm Pinhole. Advanced Quantum Technologies, 4(12).
  Hunold, Lukas; Lagomarsino, Stefano; Flatae, Assegid M.; Kambalathmana, Haritha; Sledz, Florian; Sciortino, Silvio; Gelli, Nicla; Giuntini, Lorenzo & Agio, Mario
  
• Electrical excitation of color centers in phosphorus-doped diamond Schottky diodes, DPG Spring Meeting, Erlangen 2022 Q.53.6 (2022)
  F. Sledz, I.A. Khramtsov, A.M. Flatae, S. Lagomarsino, N. Soltani, S.S. Nicley, K. Haenen, J. Qun, X. Jiang, P. Kienitz, P. Haring Bolivar, D.Y. Fedyanin & M. Agio
  
• Light emission from color centers in phosphorus-doped diamond. EPJ Web of Conferences, 266, 09008.
  Sledz, Florian; Flatae, Assegid M.; Lagomarsino, Stefano; Piccolomo, Savino; Nicley, Shannon S.; Haenen, Ken; Rechenberg, Robert; Becker, Michael F.; Sciortino, Silvio; Gelli, Nicla; Giuntini, Lorenzo; Speranza, Giorgio & Agio, Mario
  
• Electrical excitation of color centers in phosphorus-doped diamond Schottky diodes, DPG Spring Meeting, Dresden 2023 HL.29.10 (2023)
  F. Sledz, I.A. Khramtsov, A.M. Flatae, S. Lagomarsino, N. Soltani, S.S. Nicley, R.Rouzbahani, P. Pobedinskas, K. Haenen, J. Qun, X. Jiang, P. Kienitz, P. Haring Bolivar, D.Y. Fedyanin & M. Agio
  
• Highly-efficient extraction of single photons from silicon vacancy in diamond using plasmonic nanoantenna, DPG Spring Meeting, Hannover 2023 Q.21.7 (2023)
  I. Fradkin, M. Agio & D. Fedyanin
  
• Plasmonic Nanocone Scanning Antenna: Fabrication and Optical Properties. Advanced Photonics Research, 5(3).
  Kambalathmana, Haritha; Flatae, Assegid Mengistu; Biagini, Claudio; Tantussi, Francesco; De Angelis, Francesco & Agio, Mario
  
• Single-photon emission from silicon-vacancy color centers in polycrystalline diamond membranes. Applied Physics Letters, 124(9).
  Flatae, Assegid Mengistu; Sledz, Florian; Kambalathmana, Haritha; Lagomarsino, Stefano; Wang, Hongcai; Gelli, Nicla; Sciortino, Silvio; Wörner, Eckhard; Wild, Christoph; Butz, Benjamin & Agio, Mario
  
• Electrically driven quantum emitters in diamond and silicon carbide. Nanophotonics with Diamond and Silicon Carbide for Quantum Technologies, 369-388. Elsevier.
  Sledz, Florian; Khramtsov, Igor; Flatae, Assegid M.; Rouzbahani, Rozita; Pobedinskas, Paulius; Haenen, Ken; Fedyanin, Dmitry Yu. & Agio, Mario