Natuurkundigen van de Nationale Universiteit van Singapore (NUS) hebben een methode ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van een gefocusseerde straal heliumionen om reeksen defecten in hexagonaal boornitride (hBN) te creëren die mogelijk kunnen worden gebruikt voor magnetische detectietoepassingen.

Zeshoekig boornitride (hBN) is een tweedimensionaal (2D) materiaal dat bestaat uit boor- en stikstofatomen gerangschikt in een hexagonale roosterstructuur. Het vertoont unieke eigenschappen voor toepassingen in kwantumdetectie. Er zijn veel soorten defecten ontdekt in hBN en één daarvan, de negatief geladen boorvacature (V_B ^– ), is van bijzonder belang omdat het spin-eigenschappen bezit die het waardevol maken voor kwantumdetectietoepassingen.

In deze studie werd een straal heliumionen met hoge energie, geproduceerd in de versnellerfaciliteit van het Center for Ion Beam Applications (CIBA) van het Departement Natuurkunde, NUS gebruikt om hBN-vlokken te bestralen om V_B ^– optische centra. Het vermogen om de ionenbundel te focusseren op plekken van nanogrootte en om de bundel ruimtelijk te scannen, maakt het mogelijk om met hoge precisie arrays van optische zenders met patronen te vervaardigen.

Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Andrew Bettiol en het team onder leiding van universitair hoofddocent Goki Eda, beiden van de afdeling natuurkunde, NUS. De V_B ^– optisch defectcentrum dat, geproduceerd door de experimenten van het onderzoeksteam, een aantal interessante eigenschappen vertoont wanneer het wordt blootgesteld aan microgolfenergie. Deze studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Optical Materials .

Een spectroscopische techniek die bekend staat als Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) werd gebruikt om kleine magnetische velden in de experimenten waar te nemen. Deze techniek combineert de principes van magnetische resonantie en optische spectroscopie om de eigenschappen van paramagnetische materialen en hun interactie met elektromagnetische straling te bestuderen.

Eerst wordt een groene laser gebruikt om de V_B te exciteren ^– defectcentrum zodat het licht uitzendt met een golflengte van ongeveer 810 nm, wat zich in het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum bevindt. Vervolgens wordt een koperen antenne gebruikt om een ​​specifieke microgolffrequentie nabij het hBN-monster te genereren. Deze microgolfenergie initialiseert het defect in een spintoestand die resulteert in een vermindering van de lichtintensiteit die door het defect wordt uitgezonden. De microgolffrequentie wordt afgestemd totdat een daling van de lichtintensiteit wordt gedetecteerd. Dit gebeurde op ongeveer 3,48 GHz, waar een dubbele daling in de fotoluminescentie-intensiteit werd waargenomen. Zodra de microgolfresonantiefrequentie is gevonden, is de sensor klaar voor gebruik om magnetische velden te detecteren.

Prof Bettiol zei:"Door gebruik te maken van deze unieke eigenschap die hBN vertoont, zal een klein magnetisch veld dat soms voorkomt in biologische systemen of in magnetische materialen de resonantiefrequentie verschuiven en dit zal ervoor zorgen dat de lichtemissie van de sensor wordt hersteld. De lichtemissie van de V_B ^– optisch defectcentrum biedt een manier om het lokale magnetische veld optisch te detecteren."

Professor Eda voegde hieraan toe:"hBN is een veelzijdig materiaal dat gemakkelijk kan worden geïntegreerd in on-chip-apparaten. Onze demonstratie om met hoge precisie spindefecten in hBN te creëren, is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van on-chip magnetische sensoren."

Meer informatie: Haidong Liang et al, Spindefecten met hoge gevoeligheid in hBN gecreëerd door hoogenergetische He Beam-bestraling, Geavanceerde optische materialen (2022). DOI:10.1002/adom.202201941

Journaalinformatie: Geavanceerde optische materialen

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore