Główne cele

Celem pakietu badawczego WP3 jest opracowanie i zbadanie azotku galu domieszkowanego wybranymi jonami ziem rzadkich (RE – Rare Earth) pod kątem zastosowań w emiterach pojedynczych fotonów (Single-Photon Sources – SPS) oraz miniaturowych sensorach kwantowych.

Zadania naukowe i technologiczne obejmują:

• Precyzyjną kontrolę wprowadzania jonów ziem rzadkich (erb – Er, terb – Tb) do matrycy krystalicznej GaN przy użyciu implantacji jonowej.
• Optyczną aktywację wprowadzonych centrów luminescencyjnych za pomocą ultra-wysokociśnieniowego wygrzewania w atmosferze azotu (UHPA), co zapobiega rozkładowi GaN w wysokich temperaturach.
• Badanie i usuwanie defektów powypromiennych w matrycy krystalicznej GaN.
• Spektroskopię pojedynczych centrów emisyjnych oraz ocenę ich stabilności w temperaturze pokojowej.

Podejście badawcze i innowacja

Natywne, bezdyslokacyjne podłoża i warstwy GaN rozwijane w IWC PAN stanowią unikalną w skali światowej platformę do inżynierii pojedynczych centrów luminescencyjnych. W odróżnieniu od struktur na obcych podłożach (np. szafir, krzem), niemal całkowity brak dyslokacji zapewnia wyjątkowo niskie tło szumów nieluminescencyjnych i wysoką spójność kwantową.

Rys. 1. Ścieżka technologiczna i charakteryzacyjna dla GaN domieszkowanego jonami ziem rzadkich: implantacja jonowa, wygrzewanie UHPA oraz zaawansowana charakteryzacja luminescencji.

Rys. 2. Proponowane koncepcje przyrządowe dla elektrycznego wzbudzania centrów ziem rzadkich w azotku galu.

Stan realizacji i współpraca międzynarodowa

• Dobór warunków implantacji: Zdefiniowano wstępne profile domieszkowania jonami Er i Tb dla różnych energii wiązki implantacyjnej.
• Procesy wysokociśnieniowe UHPA: Przygotowano autoklawy wysokociśnieniowe do serii wygrzewań w ciśnieniach rzędu 10–20 kbar i temperaturach przekraczających 1200°C.
• Charakteryzacja defektowa: W ramach oceny powstawania i anihilacji defektów punktowych po implantacji nawiązano współpracę z zespołem prof. Filipa Tuomisto z Uniwersytetu w Helsinkach w zakresie pomiarów anihilacji pozytonów (PAS).

Następne kroki

• Wykonanie planowanych serii implantacji jonowej Er i Tb na wyselekcjonowanych próbkach GaN.
• Przeprowadzenie wygrzewań wysokociśnieniowych i optymalizacja czasu oraz temperatury aktywacji.
• Pomiary fotoluminescencji (PL) w szerokim zakresie temperatur w celu potwierdzenia emisji ze stanów domieszkowych.