Optical properties of point defects in hexagonal boron nitride
Propriétés optiques de défauts ponctuels dans le nitrure de bore hexagonal
Résumé
The purpose of this thesis was to explore and caracterize optically the point defects in hexagonal boron nitride. The study of defects in this semiconductor is of fundamental importance firstly for the material science in which it plays a key role thanks to its lamellar structure (2D material) and its high thermal and chemical stability, and secondly for the quantum nanotechnology domain where its large bandgap (~ 6 eV) allows for exploiting deep levels point imperfections as «artificial atom» in the crystal lattice. During this thesis, defects in two spectral ranges have been studied: a first family emitting in the visible wavelengths, and a second one emitting in the ultraviolet range.Firstly, we made use of a scanning confocal microscope working in ambient conditions and at visible wavelengths. The recording of photoluminescence spatial maps permited to show the existence of localised hot spot of light, under the diffraction limit of the miscroscope, and emitting around 600 nm (2 eV). Time photon-correlation measurements revealed on one hand that we were dealing with single quantum emitters, and on the other hand allowed for probing the photodynamics of those systems, in particular at very long time-scale. Various photostability regimes are observed and discussed. Last but not least, power resolved study was also performed and demonstrated that a number of the emitters (~ 5%) are photo-stable at high excitation power and saturate at few millions counts per second: those point defects are one of the brightest single-photon source at room temperature in solid-state systems.Secondly, we explored the defects in the ultraviolet spectral range. A prerequisite to the engineering of defects in semiconductors for technological applications is the knowledge of their chemical origin. With this in mind, we studied shallow and deep levels in carbon-doped hBN samples by combining macro-photoluminescence and reflectance measurements. We showed the existence of new optically-active transitions (around 300 nm) and discussed the implication of carbon in these levels. The in-depth study of these levels have required the development of a new scanning micro-photoluminescence confocal microscope operating at 266 nm under cryogenic environment. The design and performances of the optical system are described, and the experimental challenges explained in details. Using this new setup, we went further into the examination of the deep levels. In particular, a study was carried out regarding the spatial correlation between these new spectral lines and the well-known point defect at 4.1 eV. Then, we used new crystals with isotopically-purified carbon doping as a strategy to investigate the long-standing question concerning the chemical origin of the 4.1 eV defect. Through this attempt, we brought to light the spatial dependence of the optical features for this specific emitter. Last but not least, we present our work dedicated to isolate the emission of a single 4.1 eV defect. We studied the photoluminescence of thin undoped flakes, pre-characterized with an electron microscope, that contain a low density of emitters, and inspected in particular their photostability in these thin crystals.
L’objectif de cette thèse était d’explorer et de caractériser optiquement les défauts ponctuels dans le nitrure de bore hexagonal. L’étude des défauts dans ce semiconducteur revêt un intérêt fondamental à la fois pour la science des matériaux dans laquelle il joue un rôle clé de part sa nature lamellaire (matériau 2D) et sa stabilité thermique et chimique très élevées, et également dans le domaine des technologies quantiques où son grand gap (~ 6 eV) permet d’exploiter les défauts ponctuels profonds comme «atome artificiel» dans la matrice cristalline. Au cours de cette thèse, des défauts appartenant à deux gammes spectrales ont été étudiés: une première classe émettant dans le visible, et une seconde émettant dans la gamme ultraviolette.Ainsi, dans un premier temps, nous avons exploité un microscope confocal à balayage fonctionnant à l’ambiante et dans les longueurs d’onde visibles. La réalisation de cartes spatiales de photoluminescence a permis de mettre en évidence l’existence de points chauds de photoluminescence localisés, sous la limite de diffraction du microscope, et émettant autour de 600 nm (2 eV). Des mesures de corrélations temporelles de photons montre d’une part qu’il s’agit d’émetteurs quantiques uniques, et permet d’autre part de sonder la photo-dynamique de ces systèmes, en particulier aux très longues échelles de temps. Différents régimes de photo-stabilité sont observés et discutés. Enfin, l’étude en puissance a aussi été effectuée et montre qu’une part des émetteurs (~ 5%) sont photo-stables à haute puissance d’excitation optique et saturent à un taux d’émission de plusieurs millions de coups par seconde: ces défauts ponctuels constituent une source de photons uniques parmi les plus brillantes à température ambiante dans un système à l’état solide.Dans un second temps, nous avons exploré les défauts émettant dans la gamme ultraviolette. Un préalable à la maitrise et l’utilisation des défauts dans les semiconducteurs à des fins technologiques est la connaissance de leur origine chimique. Dans cette optique nous avons tout d’abord étudié les niveaux énergétiques superficiels et profonds d’échantillons de nitrure de bore hexagonal enrichis en carbone en combinant des mesures de macro-photoluminescence et de réflectivité. L’existence de nouvelles transitions optiquement actives est révélée (autour de 300 nm), et l’implication du carbone comme origine de ces transitions est discutée. L’étude approfondie de ces nouvelles émissions a requiert la réalisation d’un microscope confocal à balayage fonctionnant dans l’ultraviolet à 266 nm et à température cryogénique. Le design du microscope est détaillé, les difficultés de sa mise en oeuvre expliquées, et ses performances démontrées. Ce nouvel outil expérimental nous permet d’examiner avec précision les défauts profonds. En particulier, une étude est faite sur la corrélation spatiale de ces nouvelles raies avec celle du défaut ponctuel bien connu à 4.1 eV. Ensuite, nous avons utilisé des nouveaux échantillons dopés en carbone isotopiquement purifié comme stratégie pour déterminer la nature chimique du défaut à 4.1 eV. À travers cette tentative, nous avons mis en lumière l’inhomogénéité spatiale des caractéristiques optiques de cet émetteur. Enfin, dans la dernière partie, on tente d’isoler l’émission provenant d’un défaut unique à 4.1 eV. Pour cela, on utilise des flocons fins pré-caractérisés en microscopie électronique et contenant une faible densité d’émetteurs. Leur photostabilité est étudiée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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