Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2019

Integration von atomar-definierten, photonischen Quantenemittern in zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide

Dr. Christoph Kastl
Technische Universität München
Walter Schottky Institut

Dr. Alexander Weber-Bargioni
Lawrence Berkeley National Laboratory
Molecular Foundry


Einzelne Punktdefekte in Halbleitern können potentiell als Bauelemente, nämlich als photonische Quantenemitter oder Quantensensoren, in der Quanteninformationstechnologie verwendet werden. Für die Integration in elektronische Schaltkreise müssen die Defekte sowohl präzise im Material positioniert als auch elektronisch kontaktiert werden können. In konventionellen Volumenhalbleitern sind Defekte allerdings oft unerreichbar unter der Oberfläche vergraben.

Deshalb wird dieses Projekt untersuchen, inwieweit optisch aktive Defekte in kontrollierter Weise und räumlich selektiv in zweidimensionale Schichthalbleiter eingebracht werden können. Mittels eines fokussierten Heliumstrahls sollen gezielt optische aktive Punktdefekte in halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden erzeugt werden. Die elektronische Struktur der atomaren Defekte soll mittels hochauflösender Rastersondenmikroskopie charakterisiert werden.

Abschlussbericht
Das Projekt “Integration von atomar-definierten, photonischen Quantenemittern in zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide”, eine Zusammenarbeit der Gruppen von Dr. Alexander Weber-Bargioni am Lawrence Berkeley National Laboratory und Dr. Christoph Kastl am Walter-Schottky-Institut der TU München, wurde von BaCaTeC in der Zeit von Juli 2019 bis Dezember 2020 gefördert. Das Projekt untersuchte die Möglichkeit mittels fokussierter Heliumionen einzelne, optisch aktive Punktdefekte kontrolliert und mit Nanometergenauigkeit in zwei-dimensionale Kristallgitter einzubringen.

Zu diesem Zweck wurden Ionen bestrahlte Proben am Walter-Schottky-Institut von der Arbeitsgruppe von Dr. Kastl und Prof. Holleitner hergestellt und am Lawrence Berkeley National Laboratory in der Gruppe von Dr. Bargioni mit atomarer Auflösung hochpräzise vermessen. Unter anderem wurde durch BaCaTec der Laboraufenthalt der beteiligten Nachwuchswissenschaftler (Herr Mitterreiter) ermöglicht. Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit der beiden Arbeitsgruppem konnten sowohl die atomare Struktur der generierten Punktdefekten identifiziert als auch die erreichbare Positioniergenauigkeit vermessen werden (E. Mitterreiter et al., Nano Lett. 20,4437–4444, 2020). Diese ist besser als 10 nm, was für die mögliche quantentechnologische Anwendung derartiger Punktdefekte, zum Beispiel als integrierte Einzelphotononquellen, von herausragender Bedeutung ist. Im weiteren Verlauf der Zusammenarbeit wurden die optischen Eigenschaften der Punktdefekte mit ihrer atomaren Struktur korrelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die experimentell beobachtete Einzelphotonenemission auf einzelne Schwefelfehlstellen im Kristall zurückzuführen ist (E. Mitterreiter et al., Nat. Commun. 12, 2021).