Příprava a charakterizace diamantových fotonických struktur

Abstract

Diamant je polovodič se širokým zakázaným pásem, který se vyznačuje mnoha zajímavými optickými a elektronickými vlastnostmi, mezi které se řadí přítomnost tzv. barevných center. Barevná centra jsou citlivá na chemické vlastnosti povrchu a okolního prostředí, díky čemuž je lze využít pro detekci slabých magnetických polí, teploty nebo přítomnosti molekul. Jednotlivá barevná centra lze dále využít jako zdroj kvantových stavů světla tvořených izolovanými fotony anebo kvantově provázanými fotony. Nicméně praktické využití diamantu s barevnými centry je negativně ovlivňováno vysokým indexem lomu, kvůli kterému zůstává emitované světlo zachyceno uvnitř materiálu. V této práci se proto zaměřujeme na účinnou generaci a sběr světla z tenkých, synteticky připravených diamantových vrstev za využití fotonických krystalů. Fotonické krystaly, periodicky uspořádané struktury s periodou srovnatelnou s vlnovou délkou světla, umožňují lokálně měnit hustotu optických stavů a usměrňovat šíření světla. V práci představujeme nové metody pro přípravu planárních fotonických krystalů a rezonátorů založených na fotonických krystalech, které umožňují dosáhnout spektrálního překryvu mezi optickými módy a emisní čarou křemíkových vakancí (SiV center) v diamantu. Pro vytváření fotonických struktur byly využity postupy shora dolů (top-down), při kterém jsou vzory vytvářeny přímo v tenké diamantové vrstvě, a ze spodu nahoru (bottom-up), při kterém jsou vzory vytvořené již na substrátu a růst diamantu je řízen těmito vzory. V práci modelujeme, vytváříme a charakterizujeme různé fotonické struktury pomocí měření úhlově rozlišené fotoluminiscence a transmise, mikro-fotoluminiscence, rastrovací elektronové mikroskopie a mikroskopie atomárních sil. Konkrétně ukazujeme, že rezonanční navázání excitačního záření do planárního fotonického krystalu umožňuje více než stonásobné zesílení fotoluminiscence ve srovnání s nestrukturovanou vrstvou. Dále ukazujeme, že pomocí zrcadel vytvořených v křemíku lze sestavit otevřené mikro-rezonátory Fabry-Perotova typu s největším dosud pozorovaným poměrem faktoru kvality ku objemu optických módů ve srovnání s ostatními typy otevřených rezonátorů. V práci rovněž ukazujeme, že amorfní křemík efektivně potlačuje nukleaci diamantu a lze ho tak využít jako masky pro selektivní růst diamantových vzorů s barevnými centry. Velikost diamantových vzorů lze dále zmenšit jejich vytvářením za využití lokální aplikace elektrického pole pomocí mikroskopu atomárních sil. Dosažené výsledky jsou přínosné v mnoha oborech od biosenzorů přes kvantové zpracování informace až po fotovoltaické zdroje energie.

Diamond as a wide band gap semiconductor material features many interesting optical and electronic properties, including photoluminescent color centers. The color centers are highly sensitive to the surface chemistry and surrounding environment and can be thus utilized for nanoscale detection of weak magnetic fields, temperature, or molecules. Isolated color centers can be used as the sources of non-classical states of light such as single photons or entangled photons. Yet many practical uses of diamond color centers are hindered by the high refractive index trapping the light inside diamond. Therefore, we focus here on effective generation and collection of light originating from thin synthetic diamond layers by using photonic crystals. Photonic crystals, which are periodically ordered structures with a period comparable to the wavelength of light, enable to locally modify density of photon states and control propagation of light. We introduce new methods for the fabrication of photonic crystal slabs and photonic crystal cavities that allow to achieve spectral overlap between the photonic modes of the structure and the narrow spectral line of the silicon vacancy (SiV) centers in diamond. Both the top down approach, when the patterns are created directly into a diamond layer, and the bottom-up approach, when the substrate is patterned first and the diamond layer is grown on top copying the pattern, were used. We compute, fabricate and characterize various structures by angle-resolved photoluminescence and transmission spectroscopy, micro-photoluminescence measurements as well as scanning electron and atomic force microscopy. In particular, we show that the resonant coupling of the excitation beam into the photonic crystal slabs leads to more than 100x enhancement of the outcoupled photoluminescence intensity compared to an original diamond layer. In addition, Si micro-mirrors can be used to assemble open Fabry-Perot microcavities with high quality factor and small mode volume exceeding performance of all open-access optical microcavities to date. We also show that a micropatterned thin layer of amorphous Si can be used to suppress diamond nucleation and leads to the growth of photoluminescent diamond patterns. The method can be further downsized by nanostructuring amorphous Si using local application of electric field in atomic force microscopy. Various applications from biosensors and quantum information processing to photovoltaic energy harvesting may benefit from these results.