ЛОКАЛИЗАЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ИСТОЧНИКОВ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ В ЛОКАЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННЫХ МОНОСЛОЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023- УМНИК-ФОТОНИКА

ЛОКАЛИЗАЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ИСТОЧНИКОВ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ В ЛОКАЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННЫХ МОНОСЛОЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Абрамов А.Н. *, Кравцов В.А.

Университет ИТМО, Санкт-Петербург E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-323-324

Источники одиночных фотонов (SPE) являются важными элементами для приложений в квантовых коммуникационных и вычислительных устройствах [1]. Одной из перспективных платформ для создания однофотонных излучателей являются двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) [2]. Деформация двумерного материала, например, зондом атомно-силового микроскопа (АСМ), может привести к образованию SPE в монослоях ДПМ [3, 4]. Практическим преимуществом такого подхода является возможность формирования массивов излучателей в заданных местах на чипе благодаря точному расположению АСМ зонда, что позволяет интегрировать излучатели с нанофотонными структурами на чипе. Однако точность интегрирования ограничена размером наноиндента.

В этой работе мы исследуем процесс формирования однофотонных излучателей в монослое WSe2 методом локальной деформации с помощью АСМ зонда. Для этого мы регистрируем сигнал фотолюминесценции (ФЛ) и определяем положение каждого излучателя в наноиндентированной области в глубоком субволновом масштабе, применяя метод бихроматической фотолюминесцентной визуализации (ФЛ-визуализация) [5, 6]. Наш экспериментальный образец представляет собой подложку SiO2(1 мкм)^ с серебряными метками совмещения (МС) на поверхности, покрытую тонким слоем полимера полиметилметакрилата (ПММА). На полимер перенесен монослой WSe2, в котором зондом АСМ сформирован массив наноиндентов (Рис. 1а). Затем мы исследуем спектры ФЛ полученных излучателей (Рис. 1б). Мы проверяем однофотонный характер изготовленных излучателей с помощью измерений корреляционной функции второго порядка, при этом наилучшие значения достигают g(2)(0) = 0.02. Метод бихроматической ФЛ-визуализации заключается в одновременном освещении образца HeNe лазером с длиной волны 632,8 нм для возбуждения фотолюминесценции SPE и светом с большей длиной волны для подсветки меток совмещения. Отраженный свет и фотолюминесценция SPE отображаются на CMOS-камере (Рис. 1в). Метки совмещения также видны на АСМ карте (Рис. 1г). Координаты центров меток совмещения и излучателей вычисляются из ортогональных линейных срезов АСМ карты и оптического изображения с использованием подгонки функцией Гаусса (Рис. 1д). Точное положение SPE определяется путем преобразования координат меток совмещения и SPE от оптического изображения к АСМ карте структуры. В среднем неопределенность положения SPE, полученная по серии изображений, составляет менее 60 нм. Затем мы накладываем положения SPE на карту полей деформаций, которая рассчитывается по профилям АСМ (рис. 1е). Параметры локальной деформации, полученные с помощью этой процедуры, помогут лучше понять процесс формирования источников одиночных фотонов в двумерном полупроводнике на микроскопическом уровне.

Результаты нашей исследовательской работы важны для практического применения метода локальной деформации при создании однофотонных генераторов для квантовых коммуникационных и вычислительных устройств.

Литература

1. Aharonovich I. et al. Solid-state single-photon emitters. Nature Photonics 10, 631-641 (2016)

2. Koperski M. et al. Single photon emitters in exfoliated wse2 structures. Nature nanotechnology 10, 503-506 (2015)

3. Li X et al. Proximity induced chiral quantum light generation in strain-engineered wse2/nips3 heterostructures. arXivpreprint arXiv:2203.00797 (2022)

4. Thompson R. E. et al. Precise nanometer localization analysis for individual fluorescent probes. Biophysical journal 82, 2775-2783 (2002)

5. Sapienza L. et al. Nanoscale optical positioning of single quantum dots for bright and pure single-photon emission. Nature communications 6, 1-8 (2015)

ВКВ0-2023 УМНИК-ФОТОНИКА

Рисунок 1: (а) Схема процесса изготовления SPE в монослое WSe2 с помощью АСМ зонда на образце с метками совмещения. (б) Спектр фотолюминесценции одного из SPE в монослое WSe2, сформированном на наноинденте (длина волны излучения SPE составляет 764 нм). Схематически показана фильтрация излучения с длиной волны менее 750 нм. Спектр нейтрального экситона X монослоя WSe2 показан на нижней вставке. Поляризационная зависимость излучения SPE показана на верхней вставке. (в) Оптическое изображение фотолюминесценции от одного SPE и отраженного света от меток совмещения. (г) АСМ-сканирование образца с массивом наноиндентов в монослое WSe2 и метками совмещения (совпадает с рис. 1в). (д) Ортогональные срезы (по оси x) оптического изображения, показывающие профиль излучения SPE (обозначен красными треугольниками) и отраженного сигнала от меток совмещения (обозначен красными кругами) и их подгонки по Гауссу

(красные линии). Ортогональный линейный АСМ профиль метки совмещения (обозначен синими квадратами) и его подгонка по Гауссу (синяя линия). (е) Точное положение SPE вблизи наноиндента (размер крестика указывает на неопределенность). Синяя стрелка показывает поляризацию SPE. Вставка

показывает положение SPE на карте деформаций