Quantum Emitter Formation Dynamics and Probing of Radiation-Induced Atomic Disorder in Silicon

材料科学 质子 辐照 通量 Atom(片上系统) 空位缺陷 原子物理学 量子点 光致发光 分子物理学 光电子学 凝聚态物理 物理 量子力学 嵌入式系统 核物理学 计算机科学
作者
Wei Liu,Vsevolod Ivanov,Kaushalya Jhuria,Qing Ji,Arun Persaud,Walid Redjem,Jacopo Simoni,Yertay Zhiyenbayev,Boubacar Kanté,J. Garcı́a López,Liang Z. Tan,T. Schenkel
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:20 (1) 被引量:12
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.20.014058
摘要

Near-infrared color centers in silicon are emerging candidates for on-chip integrated quantum emitters, optical-access quantum memories, and sensing. We access ensemble G-color-center formation dynamics and radiation-induced atomic disorder in silicon for a series of megaelectronvolt proton-flux conditions. The photoluminescence results reveal that the G centers are formed more efficiently by pulsed-proton irradiation than by continuous-wave proton irradiation. The enhanced transient excitations and dynamic annealing within nanoseconds allows optimization of the ratio of G-center formation to nonradiative defect accumulation. The G centers preserve narrow line widths of about 0.1 nm when they are generated by moderate pulsed-proton fluences, while the line width broadens significantly as the pulsed-proton fluence increases. This implies vacancy or interstitial clustering by overlapping collision cascades. The tracking of G-center properties for a series of irradiation conditions enables sensitive probing of atomic disorder, serving as a complementary analytical method for sensing damage accumulation. Aided by ab initio electronic structure calculations, we provide insight into the atomic disorder induced inhomogeneous broadening by introducing vacancies, silicon interstitials, and oriented strain fields in the vicinity of a G center. A vacancy leads to a tensile strain and can result in either a red shift or a blue shift of the G-center emission, depending on its position relative to the G center. Meanwhile, $\mathrm{Si}$ interstitials lead to compressive strain, which results in a monotonic red shift. High-flux and tunable ion pulses enable the exploration of the fundamental dynamics of radiation-induced defects as well as methods for the optimization of G-center formation and qubit synthesis for quantum information processing.
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