Ingénierie des défauts luminescents dans le nitrure de bore et étude de leurs propriétés optiques
Publication date
2023Author(s)
Quenneville-Guay, Vincent
Subject
Nitrure de bore hexagonaleAbstract
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un matériau de van der Waals à grand gap hébergeant des défauts émetteurs de photons uniques (SPEs) dans la région du visible qui en fait un matériau intéressant pour la photonique quantique \cite{tran_quantum_2016}. Certaines propriétés de ces émetteurs restent encore à être précisées, notamment leur nature atomique et leurs interactions avec les champs électriques. Ce travail de maîtrise vise à développer un procédé de fabrication permettant de générer des défauts luminescents ponctuels dans des flocons de hBN, robustes à la température ambiante (293 K), et pouvant agir comme source de photons uniques. Une série d'échantillons (flocons de hBN) ont été exfoliés puis traités via des techniques standards de bombardement ionique, d'implantation ionique, et/ou de recuit thermique. Les propriétés optiques des défauts ainsi générés dans ces flocons de hBN ont par la suite été étudiées via des cartographies de la photoluminescence (PLmap), des spectres optiques, des mesures de photoluminescence résolues en temps et des mesures de corrélation de photons.
Deux sources principales de matériau de base ont été utilisées pour la fabrication des échantillons: hBN massif d'un groupe japonais (NIMS) présentant peu de défauts, et hBN déposé en vapeur chimique (CVD) de moins bonne qualité avec plus de défauts intrinsèques.
Des essais de génération de défauts ponctuels par implantation de carbone dans le hBN japonais ont d'abord été tentés mais sans grand succès. Les mesures optiques ont révélés des points chauds de luminescence sur des échantillons implantés et recuits, mais l'implantation ne semblait pas avoir eu une grande influence sur l'apparition de ces défauts. Les mesures de cartographie de la photoluminescence n'ont pas permis de bien comprendre ni l'origine de ces défauts, ni la localisation de ceux-ci, d'un échantillon à l'autre. Il reste de nombreuses choses à explorer sur ce procédé de génération de défauts, mais, considérant le grand nombre de conditions expérimentales pouvant influer sur le résultat final, nous avons choisi de ne pas poursuivre plus loin cette approche pour le reste de ce travail.
Une approche de génération de défauts ponctuels via un procédé de bombardement d'ions légers (He) suivi d'un recuit thermique a ensuite été explorée sur le hBN du NIMS. Les résultats ont montré une réduction de la photoluminescence intégrée provenant de la région irradiée cohérente avec les résultats présentés dans la littérature. Toutefois, aucun défaut luminescent n'a pu être observé dans les zones irradiées, ce qui porte à croire qu'il y avait peut-être trop peu de défauts intrinsèquement présents dans l'échantillon pour qu'il y en ait spécifiquement dans les zones irradiées.
Finalement, la génération de défauts par recuit thermique à haute température (1000$^{\circ}$C), sous une atmosphère d'argon, a été adoptée pour sa simplicité et son rendement de génération d'un grand nombre de défauts ponctuels. Les résultats ont montré de multiples raies d'émission sans phonons (ZPL) localisées à un µm près sur du hBN du NIMS. Celles-ci présentent des caractéristiques typiques des SPEs dont une réduction de la largeur spectrale à basse température, un temps de vie de l'ordre de la nanoseconde et une saturation de l'émission en fonction de la puissance de pompe. Un signal de fond qui semble être associé à un ensemble de défauts empêche d'aller sonder purement ces défauts dont les propriétés semblent concorder avec celles d'émetteurs de photons uniques. Ce même recuit thermique a aussi été appliqué sur du hBN CVD comportant plus de défauts intrinsèques. Une faible réduction de la corrélation des photons a pu être enregistrée, prouvant la présence d'une faible quantité de défauts émetteurs de photons uniques dans la zone sondée.
Collection
- Moissonnage BAC [4756]
- Sciences – Mémoires [1813]