采用光学显微镜方法对二维 (2D) 材料中的缺陷进行纳米级表征是光子片上器件的关键步骤。为了提高分析吞吐量,最近开发了基于波导的片上成像平台。然而,它们固有的缺点是必须将 2D 材料从生长基底转移到成像芯片,这会引入污染,可能会改变表征结果。在这里,我们提出了一种独特的方法来规避这些不足,即直接在氮化硅芯片上生长一种广泛使用的 2D 材料(六方氮化硼,hBN),并对完整的原生材料中的缺陷进行光学表征。我们将直接生长方法与标准湿转移法进行了比较,并证实了直接生长的明显优势。虽然在当前工作中用 hBN 进行了演示,但该方法很容易扩展到其他 2D 材料。
六方氮化硼 (hBN) 是一种重要的绝缘体,被纳入众多二维电子、光电和光子器件中。天然 hBN 是 20% 10 B 和 80% 11 B 同位素的混合物,而单同位素 hBN 则是一种仅含单一硼同位素(10 B 或 11 B)的变体。因此,单同位素 hBN 具有更高的热导率和更强的中子吸收率(就 h 10 BN 而言),使其非常适合用作中子探测器、纳米柔性电子设备中的热管理材料和基于声子极化的纳米光子学。在这里,我们使用含有单一硼同位素和氮的硼粉合成了近似单同位素的 hBN,并在大气压下从 Fe-Cr 金属熔剂中生长出单晶。剪切(≤1.3 cm -1 )和层内(≤3.3 cm -1 )模式的拉曼峰较窄,表明晶体高度有序。在光致发光光谱中,声子辅助跃迁峰的存在也表明晶体质量很高。这种生长方案使我们能够消除 4.1 eV 处的发射。这项工作为研究同位素效应的基本特性和高性能 hBN 器件提供了一种新材料。
量子密钥分发 (QKD) 被认为是各种潜在量子技术中最直接、最广泛实施的应用。QKD 通过使用光子作为信息载体,实现远距离用户之间共享密钥。目前正在进行的努力是以稳健、紧凑的方式在实践中实现这些协议,以便在各种现实场景中有效部署。固态材料中的单光子源 (SPS) 是这方面的主要候选者。本文展示了一种室温、离散变量量子密钥分发系统,该系统使用六方氮化硼中的明亮单光子源在自由空间中运行。采用易于互换的光子源系统,生成长度为一百万位的密钥和大约 70000 位的密钥,量子比特错误率为 6%,𝜺 安全性为 10-10。这项研究展示了利用 hBN 缺陷实现的第一个概念验证有限密钥 BB84 QKD 系统。
振幅[3,4]光散射的方向性[5,6]自旋[7,8]和轨道角动量[9,10],而不受金属基方法固有材料损耗的限制。特别是,由近场增强驱动的应用,如生物分子传感,依赖于高共振品质因数(Q)(定义为共振波长除以线宽),因此需要高的电磁近场强度来实现最大样本灵敏度。[11,12]从米氏理论等中得知,共振品质因数和共振器折射率[13]之间的固有相关性,因此推动了基于高折射率材料体系(如硅[14,15]锗[16,17]或磷化镓)的全电介质纳米光子学的发展。 [18,19] 尽管这些材料在近红外 (NIR) 和红外 (IR) 光谱区域具有出色的高 Q 共振特性,但由于它们的带隙能量处于中间水平,因此在整个可见光谱范围内都伴随着较高的材料固有带间吸收损耗。由于这些基本的材料限制,在整个可见光谱范围内都缺乏无损高折射率材料。[20–23] 特别是,对于可见波长范围,存在大带隙和无损材料的竞争
在电子设备结构中引入层状二维 (2D) 材料是提升电子设备性能和提供附加功能的一种有趣策略。例如,石墨烯(导电性)已用作电容器 [ 1 ] 和电池 [ 2 ] 中的电极,而过渡金属二硫属化物 (TMD),例如 MoS 2 、 WS 2 和 WSe 2(半导体性),常用作场效应晶体管 (FET) 和光电探测器 [ 3 – 5 ] 中的沟道。六方氮化硼 (h-BN) 是由 B 和 N 原子排列成 sp 2 六方晶格的二维层状材料,其带隙为 5.9 eV [ 6 ]。因此,h-BN 是一种电绝缘体,并且在许多不同的应用中非常有用。到目前为止,h-BN 已被证明是一种非常可靠的 FET 栅极电介质,并且能够比高 k 电介质更好地抵抗电应力 [7,8],因为
六方氮化硼 (hBN) 已成为一种有前途的超薄单光子发射器 (SPE) 主体,在室温下具有良好的量子特性,使其成为集成量子光子网络的理想元素。在这些应用中使用这些 SPE 的一个主要挑战是它们的量子效率低。最近的研究报告称,在嵌入金属纳米腔内的多层 hBN 薄片中集成一组发射器(例如硼空位缺陷)时,量子效率可提高两个数量级。然而,这些实验尚未扩展到 SPE,主要集中在多光子效应上。在这里,研究了由在超薄 hBN 薄片中创建的 SPE 与等离子体银纳米立方体 (SNC) 耦合组成的混合纳米光子结构的量子单光子特性。作者展示了 SPE 特性 200% 的等离子体增强,表现为 SPE 荧光的强烈增加。这种增强可以通过严格的数值模拟来解释,其中 hBN 薄片与引起等离子体效应的 SNC 直接接触。在室温下使用紧凑的混合纳米光子平台获得的强而快速的单光子发射对于量子光通信和计算中的各种新兴应用非常有用。
§ 金刚石、碳化硅(SiC)和六方氮化硼(hBN)拥有各种光学可及的自旋活性量子中心 § 在环境条件下具有优异的相干特性(“室温下的量子比特”) § 由于塞曼分裂,缺陷的能级结构对磁场高度敏感
ETMOS 项目旨在通过分子束外延 (MBE) 和脉冲激光沉积 (PLD) 开发电子级过渡金属二硫属化物 (TMD) 的大面积生长。根据最近关于在六方晶体衬底上生长的 MoS2 外延质量的报告和初步结果,我们将推动这些材料在宽带隙 (WBG) 六方半导体 (SiC、GaN、AlN、AlGaN 合金) 和绝缘蓝宝石上的外延层生长。五个合作伙伴在薄膜生长 (CNRS、SAS)、高级特性和模拟 (CNR、HAS、U-Pa)、加工和电子设备原型 (CNR) 方面拥有互补的技能。将在不同衬底 (Si、蓝宝石、SiC、块状 GaN) 上生长 WBG 半导体模板/薄膜,以完全控制起始材料的特性并制备外延就绪表面,从而实现高质量和均匀的 TMD MBE 和 PLD 生长。沉积范围将从单层 (1L) 到几层 (最多 5) MoS2 和 WSe2,并在直径最大为 100 毫米的晶片上控制亚单层厚度。将开发 MBE 或 PLD 期间的 TMD 替代掺杂,重点是 MoS2 的 p+ 掺杂,这对设备应用具有战略意义。除了生长设施外,ETMOS 联盟还拥有整套形态、结构、化学、光学和电扫描探针表征,有助于在每个生长步骤中实现高质量。将通过专门设计的测试设备研究 TMD 的电性能 (掺杂、迁移率、电阻率等) 以及跨 TMD/WBG 异质结的电流传输。实验将通过生长模拟和 WBG 上 TMD 电子能带结构的从头计算来补充。将制定多尺度表征协议,以将我们的外延 TMD 与使用相同或互补沉积方法的其他小组的结果进行对比。最后,将制造利用 TMDs/WBG 异质结特性的器件原型,包括:(i) 基于 p+-MoS2 与 n-GaN 或 n-SiC 原子突变异质结的带间隧穿二极管和晶体管;(ii) MoS2/GaN 和 MoS2/SiC UV 光电二极管;(iii) 具有 Al(Ga)N/GaN 发射极和 1L TMD 基极的热电子晶体管。开发的材料/工艺的目标是在项目结束时达到 TRL=5。由于 ETMOS 合作伙伴与 SiC 和 GaN 领域的领先工业企业(STMicroelectronics、TopGaN、Lumilog)保持着持续合作,因此来自行业的代表将成为 ETMOS 顾问委员会的成员,为工艺与生产环境的兼容性提供指导。我们的 TMDs 生长活动与常用的 CVD 方法高度互补。我们预计与石墨烯旗舰项目第 1 和第 3 部门的团队将产生强大的协同作用,从而促进欧洲在 TMD 和设备应用大面积增长方面的能力。
在本研究中,我们利用偏振相关角分辨光电子能谱 (ARPES) 研究了六方 MnTe (0001) 块体单晶的电子能带结构。样品通过混合化学计量量的细粉 Mn 和 Te 来制备,并在 10 -5 pa 的真空石英安瓿中密封。我们通过固相反应法生长 MnTe 单晶并将其切割成 (0001) 面。为了获得干净的表面,我们对样品进行了溅射和退火。我们使用 2kV 的束流能量进行溅射,退火温度为 330 摄氏度。通过反复的溅射和退火循环,我们最终得到了干净的表面。通过俄歇电子能谱检查表面的杂质,并通过尖锐的六方低能电子衍射 (LEED) 斑点确认了长程有序。偏振相关 ARPES 实验是在配备 ASTRAIOS 电子分析仪的 HiSOR BL-9A 上进行的。我们将光子能量设置为 40 eV,温度设置为 200K。入射光的偏振方向由波荡器磁铁配置控制。
enough 及其同事 [2] 发现 LiCoO 2 正极可以在 3–4.3 V 相对于 Li + /Li 0 的范围内提取大量的 Li +。1982 年,Yazami 和 Touzain 报道了以石墨为固体电解质时 Li + 离子的电化学活性,这成为了商业化锂离子电池 (LIB) 的重要基础。 [3] 1985 年,Yoshino 发明了一种由 LiCoO 2 正极和碳质负极组成的新电池,它显示出合理的可逆容量和显著增强的循环性能。 [4] 随后,索尼于 1991 年将 LIB 商业化;与镍镉和镍氢电池相比,它们表现出更高的质量能量密度和体积能量密度。 [5] 由于其高可逆容量和可观的日历寿命,LIB 已广泛应用于消费产品(如相机和笔记本电脑)和纯/混合动力 (H) 电动汽车 (EV)。根据组成 LIB 的元素价格表,钴(15.54 美元)比镍、锰和铝贵,后三种元素的价格分别为 5.90 美元、1.06 美元和 0.77 美元 LB −1(2020 年 2 月 6 日的实时价格,http://www.infomine. com/investment/metal-prices/)。这促使人们寻找低成本、高容量的替代正极材料,以推广采用 LIB 作为电源的 EV/HEV(图 1 a)。[6] 用层状结构中的其他元素取代钴可能会获得优异的电池性能。例如,富镍的 Li[Ni1−x−yCoxMny]O2 具有高容量(200–250mAhg−1)和高电压操作(≈3.8V vs Li0/Li+)以及更好的化学稳定性,由于 Ni3+/4+(eg)氧化还原能与 Co3+/4+(t2g)和 Mn3+/4+(t2g)带上方的 O2−2p 带顶部没有明显的重叠,所以氧损失更少。 [7,8] 然而,由于 Li+ 和 Ni 2+ 的离子半径相似(0.76 Å),合成化学计量的 LiNiO 2 很困难,即在合成过程中,Ni 2+ 很容易占据锂板中的 3b 锂位并形成[Li 1-xNix]3a[Ni1-x]3b[O2]6c。锂层中的 Ni 2+ 不仅阻碍了 Li+ 的顺利扩散,而且导致不可逆容量和较差的循环寿命。[9] 通常,LiNiO 2 在深度脱锂后表现出从第一个六方到单斜(H1 到 M),单斜到第二个六方(M 到 H2),最后从第二个六方到第三个六方(H2 到 H3)相的渐进相变,[10] 这限制了 LiNiO 2 的制备。