硅上 Er$^{3+}$ 掺杂外延氧化铈的光学与微结构表征
材料科学
2023-09-29 v1
摘要
固态基质中的稀土离子掺杂是量子通信技 术(如量子存储器)的理想候选，这源于稀土离子固有的自旋-光子接口以及固态中可用的集成方法。掺铒氧化铈 (Er:CeO) 是此类量子存储器的极具前景的平台，因为它结合了铒的电信波长(~1.5 m) 4f-4f 跃迁、CeO 所支撑的预测试长电子自旋相干时间，并且与硅近晶格匹配以利于异质外延生长。本工作中，我们报道了使用分子束外延(MBE)在硅上外延生长 Er:CeO 薄膜，铒浓度可控低至 2 ppm(百万分之二)。我们进行了详细的微结构研究以验证 CeO 基质结构，并表征了嵌入的 Er 离子的自旋与光学性质。在 2-3 ppm Er 区间，我们识别出 EPR 线宽 245(1) MHz、光学非均匀线宽 9.5(2) GHz、光学激发态寿命 3.5(1) ms，以及原生长材料中窄至 4.8(3) MHz 的谱扩散受限均匀线宽。我们测试了 Er:CeO 薄膜在高达 900 °C 下的退火，使非均匀线宽适度收窄 20%、激发态寿命延长 40%。我们还研究了光学性质随 Er 掺杂量的变化，发现结果与离子间电荷相互作用预期的趋势一致。
引用
@article{arxiv.2309.16644,
title = {Optical and microstructural characterization of Er$^{3+}$ doped epitaxial cerium oxide on silicon},
author = {Gregory D. Grant and Jiefei Zhang and Ignas Masiulionis and Swarnabha Chattaraj and Kathryn E. Sautter and Sean E. Sullivan and Rishi Chebrolu and Yuzi Liu and Jessica B. Martins and Jens Niklas and Alan M. Dibos and Sumit Kewalramani and John W. Freeland and Jianguo Wen and Oleg G. Poluektov and F. Joseph Heremans and David D. Awschalom and Supratik Guha},
journal= {arXiv preprint arXiv:2309.16644},
year = {2023}
}
备注
15 pages, 6 figures (including supplemental information)