Научная проблема, на решение которой направлен проект:
Разработка физических основ методов локального создания источников фотонов.

В настоящее время интенсивно разрабатываются новые методы получения однофотонных источников для последующего применения в системах квантовой информатики и квантовой криптографии, таких как одиночные атомы
и ионы, квантовые точки и точечные дефекты в широкозонных материалах. Последние представляются наиболее перспективными с точки зрения совместимости с полупроводниковыми технологиями и возможности использования
при комнатной температуре [1]. В рамках проекта предполагается применить локальное облучение ускоренными ионами и электронами, для управляемого создания точечных дефектов в таком широкозонном материале, как
гексагональный нитрид бора. Данный материал является одним из наиболее изучаемых в последнее десятилетие полупроводников, и возможность создания в нем точечных дефектов обладающих свойствами однофотонных источников показана в ряде работ [2]. Однако, природа таких дефектов, остается под вопросом, а возможность управления локализацией создаваемых дефектов не продемонстрирована. Таким образом, получение дополнительных экспериментальных данных о люминесценции дефектов в нитриде бора
представляется актуальной задачей, решение которой позволит не только пролить свет на процессы образования и диффузии этих дефектов, но и разработать методы управляемого локального внедрения центров свечения, которые
могут играть роль источников одиночных фотонов.
[1] I. Aharonovich, D. Englund and M. Toth. Nature Photonics 10 (2016) 631–641
[2] S. Castelletto, F.A. Inam, S. Sato and A. Boretti. Beilstein J. Nanotechnol 11 (2020) 740–769.

Конкретная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб:
Основной задачей проекта является исследование влияния локального облучения ускоренными ионами и электронами на люминесцентные свойства гексагонального нитрида бора. Взаимодействие ускоренных заряженных частиц с твердым телом изучено в целом достаточно хорошо, однако типы дефектов, образующихся при облучении гексагонального нитрида бора, а также их роль в рекомбинации неравновесных носителей заряда изучены недостаточно хорошо. Наибольший интерес представляет исследование возможности создание изолированных
одиночных центров люминесценции, что требует с одной стороны разработки методов локального облучения тонких слоев нитрида бора одиночными ионами, а с другой стороны подробного исследования процессов диффузии и
миграции дефектов в данном материале.

Научная новизна исследований, обоснование достижимости решения поставленной задачи:
На сегодняшней день среди методов формирования однофотонных источников можно выделить наиболее популярные методы использующие квантовые точки, либо одиночные дефекты в кристаллах, такие как NV центры в алмазе [1]. В
случае с гексагональным нитридом бора наиболее изученной в экспериментальном плане является полоса люминесценции с максимумом около 2 эВ, хотя природа дефектов, ответственных за данную полосу остается под вопросом. В литературе предложен ряд моделей, описывающих структуру данного центра люминесценции, таких как вакансии и оборванные связи [2]. Это позволяет предположить, что облучение ускоренными заряженными частицами позволит создавать дефекты такого типа в материале. В рамках данного проекта предполагается использовать
облучение ионами гелия и электронами для локализованного внедрения дефектов. Исследование люминесцентных свойств вакансий, создаваемых ионным пучком, позволит уточнить их роль, как потенциальных центров люминесценции. В целях максимальной локализации создаваемых центров свечения можно использовать облучение одиночными ионами гелия. Методика облучения материалов одиночными ионами гелия с помощью сканирующего гелиевого микроскопа ранее применялась нами при исследовании процессов накопления ионно-индуцированного заряда [3]. Еще одна полоса с максимумом около 4.1 эВ связывается большинством авторов с примесью углерода [4]. К настоящему моменту внедрение углерода в нитрид бора осуществлялось либо ненамеренно в процессе синтеза, как в случае порошка, так и путем добавления углерода в объем материала [5]. Нами было показано, что локальное осаждение углеродсодержащей пленки в сочетании с высокотемпературным отжигом приводит к локальному увеличению интенсивности полосы 4.1 эВ. Тем не менее, вопрос о диффузии примесей, стимулированной облучением электронами, остается открытым.
[1] I. Aharonovich, D. Englund and M. Toth. Nature Photonics 10 (2016) 631–641
[2] M.E. Turiansky, A. Alkauskas, L. C. Bassett and C. G. Van de Walle. Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 127401
[3] Yu.V. Petrov, A.E. Anikeva, O.F. Vyvenko. Nuclear Inst. and Meth. in Physics Research B 425 (2018) 11–17
[4] M. Mackoit-Sinkevicien, M. Maciaszek, C.G. Van de Walle and A. Alkauskas. Appl. Phys. Lett. 115 (2019) 212101.
[5] T. Pelini, C. Elias, R. Page, L. Xue, S. Liu, J. Li, J.H. Edgar, A. Dréau, V. Jacques, P. Valvin, B. Gil and G. Cassabois. Phys. Rev. Materials 3 (2019) 094001.
[6] Yu.V. Petrov, O.F. Vyvenko, O.A. Gogina, K. Bolotin, S. Kovalchuk, K. Watanabe and T. Taniguchi. Journal of Physics: Conference Series. 2103 (2021) 012065

Современное состояние исследований по данной проблеме:
Исследования люминесценции гексагонального нитрида бора ведутся, начиная с 50х годов прошлого века [1], однако большинство экспериментальных результатов были получены на образцах порошков нитрида бора, отличающихся весьма дефектной структурой, при этом исследовались усредненные по большому количеству частиц спектральные распределения, что приводило к значительному уширению спектральных линий и затрудняло анализ полученных результатов. В настоящее время лучшие экспериментальные результаты были получены на высококачественных монокристаллических образцах, синтезированных в группе К. Ватанабе, Т. Танигучи [2], на которых удалось оптическими методами определить ширину запрещенной зоны. Теоретические расчеты электронной структуры гексагонального нитрида бора и точечных дефектов в нем проводятся
в нескольких группах [3,4], однако к настоящему моменту однозначное соответствие между конкретными точечными дефектами и характерными полосами в спектре люминесценции пока не установлено, и на роль центров люминесценции для каждой из наблюдаемых полос рассматривается несколько потенциальных кандидатов. Интерес к оптическим свойствам точечных дефектов в гексагональном нитриде бора возрос в последние годы в связи с поиском методов получения источников одиночных фотонов на основе точечных дефектов в этом материале [5].
Наибольшего успеха в данной области достигли группы авторов [5,6]. Для последующего применения в качестве однофотонных источников обычно рассматриваются полосы люминесценции 2 эВ [7] и 4.1 эВ [8], наиболее часто
встречающиеся в спектре гексагонального нитрида бора. В случае полосы люминесценции около 2 эВ вакансии и оборванные связи в нитриде бора считаются потенциальными кандидатами на роль соответствующих точечных дефектов [3,9]. Генерация дефектов такого типа с использованием электронного или ионного пучка ранее использовалась в работах [8,10,11,12] однако без управляемой локализации
образующихся центров люминесценции. Показано, что облучение ионами гелия может снизить концентрацию центров свечения в облучаемой области, однако локализация оставшихся центров носит случайный характер [12]. Попытка
создать центры люминесценции с детерминированным расположением в материале была предпринята в работе [13] с помощью предварительной модификации поверхности подложки методами литографии, технологически более
сложными, чем рассматриваемые в данном проекте. В случае полосы 4.1 эВ согласно накопленному объему экспериментальных данных и теоретических расчетов центры люминесценции связаны с наличием примеси углерода [8], однако мнения о структуре таких центров различаются [8,14,15]. Таким образом, исследование влияния локального облучения ускоренными ионами и электронами на люминесцентные свойства гексагонального нитрида бора с целью контролируемого создания однофотонных источников является логичным шагом в развитии методов управляемого локального создания центров люминесценции.
[1] S. Larach and R.E. Shrader. Phys. Rev. 104 (1956) 68-73.
[2] K. Watanabe, T. Taniguchi and H. Kanda. Nature Mat. 3 (2004) 404-409
[3] L. Weston, D. Wickramaratne, M. Mackoit, A. Alkauskas and C.G.VandeWalle. Physical Review B 97 (2018) 214104
[4] T. Korona, M. Chojecki. Int. J. Quantum Chem. 119 (2019) e25925
[5] S. Castelletto, F. A. Inam, S.-I. Sato and A. Boretti. Beilstein J. Nanotechnol. 11 (2020) 740–769.
[6] I. Aharonovich, D. Englund and M. Toth. Nature Photonics 10 (2016) 631-641
[7] L. J. Martınez, T. Pelini, V. Waselowski, J. R. Maze, B. Gil, G. Cassabois, and V. Jacques. P Physical Review B 94 (2016) 121405(R)
[8] R. Bourrellier, S. Meuret, A. Tararan, O. Stéphan, M. Kociak, L. H. G. Tizei and A. Zobelli. Nano Lett. 16 (2016) 4317−4321
[9] M.E. Turiansky, A. Alkauskas, L. C. Bassett and C. G. Van de Walle. Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 127401
[10] S. Kim, J. E. Fröch, J. Christian, M. Straw, J. Bishop, D. Totonjian, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Toth and I. Aharonovich. Nature Communications 9 (2018) 2623
[11] N. Chejanovsky, M. Rezai, F. Paolucci, Y. Kim, T. Rendler, W. Rouabeh, F. Fávaro de Oliveira, P. Herlinger, A. Denisenko, S. Yang, I. Gerhardt, A. Finkler, J. H. Smet and J. Wrachtrup. Nano Lett. 16 (2016) 7037–7045
[12] G. Grosso, H. Moon, B.Lienhard, S. Ali, D. K. Efetov, M. M. Furchi, P. Jarillo-Herrero, M.J. Ford, I. Aharonovich & D. Englund. Nature Communications 8 (2021) 705
[13] N.V. Proscia, Z. Shotan, H. Jayakumar, P. Reddy, C. Cohen, M. Dollar, A. Alkauskas, M. Doherty, C.A. Meriles and V.M. Menon. Optica 5(9) (2018) 1128-1134
[14] M. Mackoit-Sinkevicien, M. Maciaszek, C.G. Van de Walle and A. Alkauskas Appl. Phys. Lett. 115 (2019) 212101.
[15] A. Vokhmintsev, I. Weinstein, D. Zamyatin. J. Luminesc. 208 (2019) 363–370.
Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта:
В рамках проекта предполагается исследовать влияния ионного и электронного облучения на люминесцентные свойства гексагонального нитрида бора.Предполагается исследовать образцы, полученные методом эксфолиации и перенесенные на подложки кремния и нитрида кремния на кремнии. Для контроля толщины получившихся образцов предполагается использовать атомно-силовую микроскопию. Выбор подложек обусловлен как высоким качеством поверхности, так и отсутствием заметной люминесценции в изучаемом спектральном диапазоне. Предварительные исследования показывают, что интенсивность люминесценции подложек на несколько порядков ниже интенсивности люминесценции кристаллов нитрида бора.Предполагается исследовать образцы кристаллов нитрида бора различных производителей и провести сравнение с частицами технического порошка нитрида бора, с целью выявить недостатки технологии, ограничивающие возможность применения отдельных частиц порошка и оценить возможность и перспективы устранения таких недостатков, что позволило бы существенно упростить решение многих задач, связанных с исследованием данного материала. Для локального ионного облучения предполагается использовать сканирующий гелиевый ионный микроскоп Zeiss Orion. Благодаря одноатомному газовому автоионному источнику данный прибор обладает субнанометровым разрешением, что делает его идеальным инструментом для ионного облучения с высоким пространственным разрешением. Относительно слабое рассеяние легких ионов гелия с энергиями порядка десятков кэВ позволяет в случае облучения тонких пленок минимизировать размеры области взаимодействия ионов с веществом, определяющие предел разрешения данного метода модификации. Использование малых токов ионного пучка позволяет реализовать режим облучения одиночными ионами, который ранее использовался нами при исследовании процессов ионно- индуцированной электронной эмиссии из диэлектриков [1]. Для реализации контролируемого локализованного облучения не в режиме одиночных ионов предполагается использовать литографическую систему управления ионным пучком Nanomaker, которой оборудован гелиевый ионный микроскоп. Облучение предполагается проводить с энергиями ионов в диапазоне от 15 до 35 кэВ. Кроме того, предполагается исследовать влияние высокотемпературного отжига на люминесцентные свойства облученных образцов. Для электронного облучения предполагается использовать систему Zeiss Auriga, оборудованную приставкой дляэлектронной литографии Raith Elphy, либо сканирующий электронный микроскоп Zeiss Supra. Предполагается использовать облучение электронами с энергией от 1 до 30 кэВ, как исходных образцов, так и образцов, предварительно облученных ионами гелия. Предполагается, что облучение электронами может приводить как клокальному разогреву, влияя аналогично отжигу, так и к перераспределению заряда, захваченного на локализованные состояния. Люминесцентные свойства предполагается исследовать методами катодолюминесценции и фотолюминесценции. Для исследования катодолюминесценции предполагается использовать сканирующий электронный микроскоп Zeiss Supra, оборудованный системой регистрации катодолюминесценции Gatan MonoCL и проточным гелиевым криостолом, позволяющим проводить исследования катодолюминесценции при температурах от 6 К. Для наблюдения изменений в спектре катодолюминесценции непосредственно в процессе облучения электронным пучком предполагаетсяразработать программные средства управления электронным пучком и последующей обработки полученных данных на основе программного обеспечения управления системой катодолюминесценции Gatan Digital Micrograph, а такжеоткрытых библиотек, таких как NumPy, Matplotlib и SciPy. Такое программное обеспечение может иметь широкое применение при исследовании методом катодолюминесценции материалов, чувствительных к облучению электроннымпучком, и, в частности, будет доступно для использования совместно с оборудованием Междисциплинарного ресурсного центра по направлению "Нанотехнологии" Научного парка СПбГУ, которое находится в открытом доступе.Для исследования методом фотолюминесценции предполагется использовать конфокальный лазерный микроскоп Nikon Ti2-E, оборудованный системой регистрации времени жизни люминесценции. Все вышеперечисленное оборудование относится к Научному парку СПбГУ и находится в открытом доступе.
Общий план работы по проекту:
1 год
Разработка программного обеспечения для исследования динамики изменения катодолюминесценции непосредственно в процессе измерения.Исследование люминесцентных свойств исходных образцов различных производителей.Облучение образцов ионами гелия и электронами, с различными энергиями и дозами.Исследование люминесцентных свойств облученных образцов, анализ полученных результатов, подбор оптимальных условий облучения.Подготовка и публикация статей по полученным результатам. Представление полученных результатов на научных конференциях.
2 год
Отжиг облученных образцов в вакууме.Исследование люминесцентных свойств отожженных образцов, анализ полученных результатов, подбор оптимальных условий отжига.Последовательное облучение образцов ионами гелия и электронами с различными энергиями.Исследование люминесцентных свойств облученных образцов, анализ полученных результатов, подбор оптимальных условий облучения.Отжиг образцов, последовательно облученных электронами ионами.Исследование люминесцентных свойств отожженных образцов, анализ полученных результатов, подбор оптимальных условий отжига.Подготовка и публикация статей по полученным результатам. Представление полученных результатов на научных конференциях.[
1] Yu.V. Petrov, A.E. Anikeva, O.F. Vyvenko. Nuclear Inst. and Meth. in Physics Research B 425 (2018) 11–17

Имеющийся у научного коллектива научный задел по проекту:
Проведено предварительное исследование катодолюминесценции образцов гексагонального нитрида бора, показана возможность регистрации спектров катодолюминесценции и наличие в них характерных полос [1]. Кроме того, экспериментально показано, что осаждение углеродосодержащей пленки на поверхность гексагонального нитрида бора приводит к увеличению интенсивности полосы люминесценции 4.1 эВ [2]. Предварительное исследование влияния облучения на люминесцентные свойства гексагонального нитрида бора показывает, что облучение ионами галлия приводит к необратимому гашению всех полос люминесценции, а в случае облучения гелием при определенной дозе облучения возможно увеличение интенсивности люминесценции в области около 2 эВ [3], однако полученные результаты требуют дополнительного исследования.
[1] О.А. Гогина, Ю.В. Петров, О.Ф. Вывенко, Т.В. Шаров, K. Bolotin, S. Kovalchuk. Ионно-индуцированные дефекты в гексагональном нитриде бора. Труды XXIV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», том 1 (2020)344-345
[2] Yu.V. Petrov, O.F. Vyvenko, O.A. Gogina, K. Bolotin, S. Kovalchuk, K. Watanabe and T. Taniguchi. Cathodoluminescence of carbon-related defects in hexagonal boron nitride. Journal of Physics: Conference Series. 2103 (2021) 012065
[3] Ю.В. Петров, О.А. Гогина, О.Ф. Вывенко, S. Kovalchuk, K. Bolotin, K. Watanabe, T. Taniguchi. Ионно-лучевая модификация локальных люминесцентных свойств гексагонального нитрида бора. Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 8, 1166-1171