Creation and characterization of color centers in hexagonal boron nitride

Color centers in ultra wide band gap semiconductors are a promising rising technology for advanced applications, such as quantum sensing, quantum memories, machine-learning and quantum computing. In particular, color centers with suitable properties can be found in hexagonal Boron Nitride (hBN), a compound van der Waals semiconductor with outstanding stability properties even in challenging environments. Additionally, the van der Waals interactions between planes allow the two-dimensional form, which would be crucial for its integration of complex sub-micrometric devices. Color centers present specific and characteristic optical properties that are extremely useful for their identification and characterization. Currently, such defects in hBN are not fully understood, because of the complexity of the optical spectra and, for this reason, the inclusion of such features in device architecture is still challenging in terms of deterministic creation and localization. This study represents a first step towards a deeper knowledge on two promising color centers: the boron vacancy (quantum spin defect) and the nitrogen antisite (possible single photon emitter) in hBN. Additionally, its other fundamental aim is building an optical set up able to detect optical activity from color centers in hBN in a reproducible way. The optical characterization technique utilized in this case was photoluminescence spectroscopy and samples that were treated by different combinations of thermal annealing and Ar+ ion irradiation to explore the effects on the samples and the eventual formation of color centers.

I centri di colore in semiconduttori con bandgap ultra ampio sono una nascente e promettente tecnologia per applicazioni avanzate, come sensori quantistici, memorie quantistiche, maching learning e computing quantistico. In particolare, color centers con proprietà adatte a queste tecnologie possono essere trovati nel boro nitrilde esagonale (hBN), un semiconduttore composto van der Waals con eccezionale stabilità, anche in ambienti più aggressivi. In più, le interazioni di van dwe Waals tra i suoi piani cristallografici, consente la sintesi della sua forma bi-dimensionale che è cruciale per l'integrazione del crystallo in complessi dispositivi sub-micrometrici. I centri di colore presentano proprietà ottiche specifiche e caratteristiche che sono estremamente utili nella loro identificazione e caratterizzazione. Attualmente, questi difetti in hBN non sono ancora sostanzialmente caratterizzati, a cuase della complessità e ampiezza del loro spettro ottico e, per questa ragione, l'inclusioni di tali tecnologie nell'architettura di dispositivi presenta ancora varie sfide, in termini di creazioni e localizzazioni deterministiche. Questo studio rappresenta un primo passo verso una conoscenza più profonda di due promettenti color centers: la vacanza di boro (un difetto con spin quantistico) e l'antisito di azoto (possible emittore di singoli fotoni) in hBN. In più, il secondo scopo fondamentale è la costruzione di un set up ottico in grado di registrare in modo riproducibile segnali di fotoluminescence dai centri di colore in hBN . Il metodo di caratterizzazione ottica utilizzata in questo caso e la spettroscopia di fotoluminescenza e i campioni analizzati sono stati trattati con diverse combinazioni di trattamento termico di ricottura e irradiazione a ioni Ar+ per approfondire i possibili effetti sui campioni e le eventuali formazioni di difetti.