Fysiker från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en metod som använder en fokuserad stråle av heliumjoner för att skapa uppsättningar av defekter i hexagonal bornitrid (hBN) som potentiellt kan användas för magnetisk avkänningstillämpningar.
Hexagonal bornitrid (hBN) är ett tvådimensionellt (2D) material som består av bor- och kväveatomer arrangerade i en hexagonal gitterstruktur. Den uppvisar unika egenskaper för tillämpningar inom kvantavkänning. Många typer av defekter har upptäckts i hBN och en av dem, den negativt laddade borvakansen (VB – ), är av särskilt intresse eftersom den har spinnegenskaper som gör den värdefull för kvantavkänningsapplikationer.
I denna studie användes en stråle av heliumjoner med hög energi producerad vid acceleratoranläggningen vid Center for Ion Beam Applications (CIBA) vid Institutionen för fysik, NUS för att bestråla flingor av hBN för att generera VB – optiska centra. Möjligheten att fokusera jonstrålen till fläckar i nanostorlek och att skanna strålen spatialt gör att mönstrade arrayer av optiska sändare kan tillverkas med hög precision.
Arbetet är resultatet av ett samarbete mellan en forskargrupp under ledning av docent Andrew Bettiol och teamet ledd av docent Goki Eda, båda från Fysiska institutionen, NUS. VB – optiskt defektcenter som, producerat genom de experiment som drivs av forskargruppen, visar några intressanta egenskaper när det utsätts för mikrovågsenergi. Denna studie publicerades i tidskriften Advanced Optical Materials .
En spektroskopisk teknik känd som Optically Detekterad Magnetisk Resonans (ODMR) användes för att känna av små magnetiska fält i experimenten. Denna teknik kombinerar principerna för magnetisk resonans och optisk spektroskopi för att studera egenskaperna hos paramagnetiska material och deras interaktion med elektromagnetisk strålning.
Först används en grön laser för att excitera VB – defektcentrum så att det avger ljus vid en våglängd på cirka 810 nm, vilket är i den nära infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet. En kopparantenn används sedan för att generera en specifik mikrovågsfrekvens nära hBN-provet. Denna mikrovågsenergi initierar defekten till ett spinntillstånd som resulterar i en minskning av ljusintensiteten som emitteras av defekten. Mikrovågsfrekvensen ställs in tills ett fall i ljusintensitet detekteras. Detta hände vid ungefär 3,48 GHz, där en dubbel dipp i fotoluminescensintensiteten observerades. När mikrovågsresonansfrekvensen har hittats är sensorn redo att användas för att detektera magnetfält.
Prof Bettiol sa:"Genom att använda denna unika egenskap som uppvisas av hBN, kommer ett litet magnetfält som ibland uppstår i biologiska system eller i magnetiska material att förskjuta resonansfrekvensen och detta kommer att göra att ljusemissionen från sensorn återställs. Ljusemissionen från VB – optiskt defektcentrum ger ett sätt att optiskt detektera det lokala magnetfältet."
Prof Eda tillade, "hBN är ett mångsidigt material som lätt kan integreras i on-chip-enheter. Vår demonstration för att skapa spindefekter i hBN med hög precision är ett viktigt steg mot att realisera magnetiska sensorer på chip."
Mer information: Haidong Liang et al, High Sensitivity Spin Defects in hBN Skapad av High-Energy He Beam Irradiation, Avancerade optiska material (2022). DOI:10.1002/adom.202201941
Journalinformation: Avancerat optiskt material
Tillhandahålls av National University of Singapore
