利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法

技术领域

本发明涉及量子光源技术领域，特别涉及一种利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法。

背景技术

固态量子光源是量子通信、量子信息学、量子传感、量子计量学、量子成像等量子技术的核心。理想量子光源，即单光子源，能够按需每次只发射一个的光子，光子与光子之间具有不可分辨性。六方氮化硼(hBN)作为宽禁带二维层状半导体材料是理想的基质材料，在其晶体中引入单点缺陷的色心，可实现单光子发射的性质。从2016年在hBN在制备出单光子发射器以来，已经报道多种方法在六方氮化硼制造位置随机的单光子发射器，例如：热退火、等离子体处理、重离子辐照等。然而，位置随机的量子发射器难以实际应用。

制备位置可控量子光源是实现量子芯片大规模集成的重要前提。因此，在六方氮化硼中制造位置可控的单光子发射器一直是科学家关注的热点，已报道通过聚焦镓离子束、飞秒激光直写、原子力针尖压痕等方法制备位置可控的单光子发射器。然而，原子力针尖压痕法定位精度200～1500nm之间，通常在材料中产生的是孔洞；飞秒激光加工的精度受限于光学衍射极限，在样品中产生的是微米尺度的孔洞，横向定位精度在600～3500nm，精度不够高；聚焦镓离子束横向定位精度约400nm，存在重离子残留等问题，会影响到量子发射器的性能和使用；电子束曝光利用的是热效应，只能激活材料中已有的缺陷，其横向定位精度约315nm；微米柱应变法横向定位精度2000nm，其利用材料应变，发光容易受环境影响产生漂移。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法，能够制备稳定的位置可控的量子发射器。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法，包括如下步骤：

S1、将六方氮化硼材料通过机械剥离方法转移到衬底上制备六方氮化硼样品；

S2、利用聚焦氦离子束在六方氮化硼样品上加工空位缺陷；

S3、将步骤S2加工完成后的样品置于管式炉中在氧气氛下退火处理，制得位置可控的量子光源。

进一步地，步骤S1中，通过臭氧、氧等离子体清洗或氧气退火去除剥离过程中产生的残胶，使用光学显微镜选出待加工的六方氮化硼样品。

进一步地，步骤S2中，将六方氮化硼样品送入氦离子显微镜中，提高真空度后打开氦离子源，利用氦离子成像功能找到待加工的六方氮化硼样品；使用图形发生器拍照，在六方氮化硼样品上画出待加工的区域，设定加工点阵的行列数和间距，并使用图形发生器按照设定剂量加工空位缺陷。

进一步地，氦离子束加工束流0.8pA～5pA，剂量2×10

进一步地，步骤S3中，退火处理温度1000～1100℃。

本发明能够取得如下技术效果：

本发明将聚焦氦离子束加工和低压高温氧气流退火结合，形成与氧有关的复合缺陷产生单光子发射，制得稳定的位置可控的量子光源，位置精度小于50nm，低于光学衍射极限。制备方法加工精度高，可重复性高，同时避免了其他技术加工带来的孔洞、重金属离子残留等问题，保证了氮化硼材料结构的完整，有助于其与光学微腔耦合提升耦合提取效率，进一步促进集成光量子器件的应用。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的利用聚焦氦离子束在六方氮化硼中制备位置可控量子光源方法的流程图。

图2是根据本发明实施例提供的利用聚焦氦离子束在六方氮化硼样品上图形化加工的示意图。

图3是根据本发明实施例提供的光学显微镜下找到的样品图。

图4是根据本发明实施例提供的图形发生器聚焦氦离子束加工阵列示意图。

图5是根据本发明实施例提供的对聚焦氦离子束定向加工后的样品进行氧气氛下高温热退火处理的示意图。

图6是根据本发明实施例制得的位置可控的量子光源的测试数据图。

图7是根据本发明实施例提供的无法实现单光子发射量子光源的测试数据图。

其中的附图标记：

六方氮化硼1、SiO

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供一种利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法，包括如下步骤：

S1、机械剥离制备六方氮化硼样品。

将六方氮化硼材料通过机械剥离方法转移到衬底上，通过臭氧、氧等离子体清洗或氧气退火去除剥离过程中产生的残胶，使用光学显微镜选出待加工的六方氮化硼样品。

S2、利用聚焦氦离子束在六方氮化硼样品上加工空位缺陷。

将六方氮化硼样品送入氦离子显微镜中，提高真空度后打开氦离子源，利用氦离子成像功能找到待加工的六方氮化硼样品；使用图形发生器拍照，在六方氮化硼样品上画出待加工的区域，设定点阵列的行列数和间距，并使用图形发生器按照设定剂量加工空位缺陷。氦离子束加工束流0.8pA～5pA，剂量区间2×10

S3、将步骤S2加工完成后的样品置于管式炉中在氧气氛下退火处理，制得位置可控的量子光源。退火处理温度1000～1100℃。

下面结合具体的实施例对本发明提供的利用聚焦氦离子束制备位置可控量子光源的方法进行说明。

图1示出了利用聚焦氦离子束在六方氮化硼中制备位置可控量子光源方法的流程，图2为利用聚焦氦离子束在六方氮化硼样品上图形化加工的示意图，利用聚焦氦离子束在六方氮化硼中制备位置可控量子光源的方法包括如下步骤：

将六方氮化硼1通过机械剥离方法转移到SiO

将样品送入氦离子显微镜中，首先要经过传样舱，通过放气使舱内压力与大气压一致，将样品置于样品台上，通过拧紧传样杆上的螺丝将样品台与传样杆固定，固定好样品台后关闭传样仓，抽气，使得传样舱进入低真空，待传样仓达到低真空后，再打开传样仓与加工舱之间的挡板，将样品台推入固定好后，拧开固定传样杆和样品台的螺丝，将传样杆退至传样舱，关闭传样舱与加工舱之间的挡板，仪器进入抽高真空模式。待高真空达到后，打开氦离子源，利用氦离子成像功能找到样品，找到样品后使用图形发生器拍照，随后在样品上画出要加工的区域，设定点阵列的行列数和间距，图形发生器将按照设定剂量进行加工，聚焦氦离子束3对样品进行高精度加工引入缺陷，图4为图形发生器聚焦氦离子束加工阵列的示意图。利用氦离子束成像在仪器真空腔内找到六方氮化硼样品，加工束流控制在0.8pA～5pA之间，结合图形发生器在样品上进行点加工，剂量区间为2×10

待加工完成后将样品取出，送至管式炉中，调节氧气气流并打开机械泵，使管内处在低真空状态，随后启动管式炉加热程序，自动完成升温、保温及降温过程，图5为对聚焦氦离子束定向加工后的样品进行氧气氛下高温热退火处理的示意图。将样品送至管式炉中，在1000～1100℃高温低压氧气氛条件下进行热退火，最终形成稳定的位置可控的量子光源，位置精度小于50nm，低于光学衍射极限。

通过共聚焦光学显微镜、原子力显微镜、光谱仪、Hanbury-Brown-Twiss(HBT)干涉仪检测制备的样品，判断是否为量子光源，并对S2和S3中的参数进行优化。

图6为本实施例制得的位置可控的量子光源的检测数据图，其中图6(a)为单光子发射阵列的荧光扫描成像图，说明发光的点阵列与图形发生器中预设的点阵列一致；图6(b)为单光子源发光点光谱，在室温下表现出发光线宽较窄的零声子发光峰；图6(c)为二阶关联函数测试图，g

图7为无法实现单光子发射的数据图，其中图7(a)为不能发射单光子的光谱图，图7(b)为无法实现单光子发射的二阶关联函数测试结果图，g

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。