分子束外延生长氮化铝中超亮且规律出现的本征量子发光点的光致发射跳变(Photoinduced Emission Hopping of Ultrabright and Regularly Occurring Native Quantum Emitters in Aluminum Nitride Grown by Molecular Beam Epitaxy)

《ACS Photonics》：Photoinduced Emission Hopping of Ultrabright and Regularly Occurring Native Quantum Emitters in Aluminum Nitride Grown by Molecular Beam Epitaxy

　　

明亮、稳定且可重复的量子发光点（quantum emitters）是基于光子的量子信息处理发展的关键。氮化铝（AlN, aluminum nitride）是一种优越的固态体系，因其具有约6.1 eV的大带隙、与技术兼容性强，且含有目前已报道最亮的室温量子发光点。这些色心（color centers）表现出光谱发射波长及峰形的高度多样性，但其本质尚不明晰且缺乏可重复性。本文报道了蓝宝石衬底上分子束外延（MBE, molecular beam epitaxy）生长的AlN中规律出现（面密度≈0.03 μm–2）的本征单量子发光点。该类色心在700–720 nm范围内的一组波长处发光，具有窄发射线（半高全宽FWHM 4–13 nm）、偏振发射特性，室温饱和下单光子计数率可达2.2 MHz。研究人员按光致发光（PL, photoluminescence）峰值发射将其暂分为四类，但它们似乎有共同起源。300 K下的PL光谱显示部分色心具有复杂线形，由零声子线（ZPL, zero-phonon line）的时间平均跳变（hopping）构成。多数色心在测量时间尺度内光稳定性良好，研究人员着重描述了发生慢光致闪烁（blinking）的个体发光点，其闪烁与发射波长的离散跳变相关联，跳变可涉及至多五个相差数纳米的不同波长。激光诱导跳变速率随激发功率的变化关系揭示了对激发波长的依赖性——表现为饱和吸收行为或双光子过程。研究人员讨论了跳变的起源，可能源于色心本身的构型变化（configuration changes），邻近缺陷电离/再充电引起的斯塔克位移（Stark shift）也可能起作用。最后，研究人员结合本文观测到的发光范围（700–720 nm）及显著出现频率，对照Xue等人（J. Phys. Chem. Lett. 2020）理论计算——预测反位缺陷NAlVN（本征点缺陷，尚未被实验观测）的光学跃迁位于713.6 nm——进行了讨论。本研究描述了固态体系中罕见的大幅离散光致发射跳变现象，并为氮化物中点缺陷的理解提供了新视角。

论文解读——《ACS Photonics》：分子束外延生长氮化铝中超亮且规律出现的本征量子发光点的光致发射跳变

研究背景与意义

明亮可靠、可按需提供单光子发射的量子发光点是发展光子型量子信息处理的核心器件。金刚石氮空位（NV, nitrogen-vacancy）中心、碳化硅（SiC）中的色心、硅（Si）中G中心和T中心、六方氮化硼（h-BN, hexagonal boron nitride）中硼空位及氮化镓（GaN）平台中的量子发光点均有广泛研究。氮化铝（AlN, aluminum nitride）具约6.1 eV大带隙、可获得高质量大尺寸衬底，且已报道含室温下最亮的量子发光点之一，但其本征色心性质未知、可重复制备尚未实现。此前AlN中量子发光点多经金属有机化学气相沉积（MOCVD, metal–organic chemical vapor deposition）或等离子体气相沉积纳米柱（PVDNC, plasma vapor deposition of nanocolumns）获得，性质分散且缺乏规律性。本研究利用分子束外延（MBE, molecular beam epitaxy）非平衡生长的特点，系统表征MBE-AlN中规律出现的本征单量子发光点，重点研究其在700–720 nm区间的规律性出现、光学性质及罕见的光致发射跳变（photoinduced emission hopping）现象，探讨其可能起源（如N_AlV_N反位-空位复合缺陷），为AlN量子光子平台提供实验依据。论文发表于《ACS Photonics》。

主要关键技术方法

研究人员采用蓝宝石（c-sapphire, Cr掺杂）衬底上MBE生长的1.06 μm厚AlN层（先沉积25 nm低温GaN缓冲层，850 ℃富氨条件下生长得Al极性(0001)面）。样品无后续处理。利用自建共聚焦显微系统（NA=0.95，100×空气物镜，488 nm和532 nm激光激发，HBT即Hanbury–Brown and Twiss构型双单光子探测器），进行光致发光（PL, photoluminescence）成像扫描、深度剖面分析、微区PL光谱采集、偏振依赖吸收测量、饱和曲线测定及二阶自相关函数g⁽²⁾(τ)测量以确认单光子特性，并长时间监测单个发光点的光谱与时间迹（time trace）以研究光致闪烁与发射波长跳变动力学，分析跳变速率随激发功率及激发波长（488 nm与532 nm）的依赖关系。

研究结果

Optical Properties（光学性质）

研究人员对样品进行PL成像发现总缺陷色心面密度?2 μm^–2，其中500–650 nm和700–800 nm波段均有大量亮点，交叉截面扫描确认发光点位于AlN层内部（距Air/AlN界面约542±80 nm，对应层中心）。对百余个最亮色心的统计显示零声子线（ZPL, zero-phonon line）或主峰发射波长覆盖500–800 nm，半高全宽（FWHM）多样。特别值得注意的是700–720 nm区间有一类规律性出现的色心（面密度≥0.025 μm^–2，占总数约1–2%），ZPL分立于约703.7 nm（A型）、706.5 nm（B型）、709.8 nm（C型）、713.3 nm（D型），无线声子伴线（phonon sideband），线宽4–13 nm。偏振测量显示各类型具不同偶极取向，可见度0.50< />⁽²⁾(τ)函数在τ=0处明显反聚束（如B型中心g⁽²⁾(0)=0.18），拟合需至少五能级系统，激发态寿命约2.5 ns。饱和曲线拟合得饱和功率0.7–0.9 mW，饱和计数率最高达约2.2 MHz（较同装置下金刚石单NV中心亮20倍以上）。研究人员由此确认该类700–720 nm规律性出现色心为本征单量子发光点，且彼此可能有共同起源。

Spectral Stability（光谱稳定性）

研究人员对A–D型中心进行时间分辨光谱监测发现，多数色心在测量时间尺度内光稳定，但部分个体表现秒至小时量级的光致闪烁，且闪烁伴随发射波长在离散ZPL间的跳变。典型中心#21在1 s积分时间下可逆跳变于702.0 nm、706.3 nm、709.3 nm（偶现710.6 nm），各态具相似窄线宽（~4.1 nm）但不同计数率，时间平均谱呈多峰叠加形。强度时间迹显示不同亮度态对应不同波长构型，直方图可用三个高斯拟合，表明不同构型具不同辐射/非辐射跃迁速率。g⁽²⁾(τ)验证其为单发光点。此跳变行为说明较宽线型可能是快速跳变的运动平均（motional averaging）结果，A–D型间跳变亦被观测到（如中心#2隔日由703.6 nm跳至706.6 nm）。

Photoinduced Hopping Dynamics（光诱导跳变动力学）

研究人员分析中心#21跳变速率随488 nm与532 nm激发功率的变化。488 nm激发下，702 nm?706 nm双向跳变速率随功率增大而增并趋于饱和，符合饱和吸收行为，拟合得702→706的P_sat=120 μW、Γ₀=15.7 Hz，反向P_sat=1890 μW、Γ₀=35 Hz；低功率下占有率偏向702 nm构型（>90%），高功率趋近50%。532 nm激发下，702→706跳变率呈二次方依赖（24 Hz·mW^–2，暗示双光子过程），706→702呈线性依赖（3.2 Hz·mW^–1），零功率极限占有率趋近50/50，表明不同激发波长激活不同跃迁通道。极低功率（<20 μW）下跳变率<1 Hz，可分辨单峰，证实多峰互斥出现，排除多个独立邻近发光点叠加的可能。其他跳变中心（如#22、#24、#25及中心#2）也展现类似饱和吸收特征的慢跳变或运动平均加宽，跳变可涉及更多波长（如713 nm、718 nm乃至741 nm）及更大计数率变化。

讨论与结论总结

研究人员讨论认为多个仅相隔数纳米且均具发光活性的电荷态可能性低；高密位错、低生长温引入杂质（H、C、O）及本征点缺陷（V_Al、V_N、Al_i、N_i）致局域电场涨落可引发斯塔克效应，但可逆双向跳变难以仅凭近邻缺陷电离/再充电解释（理论所需逆过程光子能量>5 eV与实验矛盾），不排除氧相关DX中心参与调控；更倾向解释为缺陷自身构型变化（configuration changes）致ZPL在离散能级间跳变，辅以邻近带电陷阱所致斯塔克位移。A–D型分立波长与Xue等人密度泛函理论（DFT, density functional theory）预测本征反位-空位复合缺陷N_AlV_N的ZPL 713.6 nm（1.74 eV）接近，暗示其为候选起源。偏振差异可能源于跳变中局部位形冻结或测量间构型改变。

结论译文：

研究人员报道了蓝宝石衬底上MBE生长1.06 μm厚AlN层中本征量子发光点的光谱学研究。500–850 nm发光本征色心面密度约2 μm^–2，大多可在单发光点水平研究。与其它技术生长AlN类似，观测到光谱形状与波长高度多样。部分发光点在700–720 nm区间规律出现（约占总数2%），暂分四型但很可能同源。二阶自相关函数g⁽²⁾(τ)揭示激发态寿命约2.5 ns，复杂聚束表明至少五能级系统。该类中心饱和计数率高达2.2 MHz，比金刚石单NV中心亮20倍以上。部分宽线型源于ZPL在数个发射波长间的跳变时间平均。部分个体表现光致ZPL跳变，详细研究表明跳变速率受激发波长和功率调控——分别呈现饱和吸收或双光子吸收特征。研究人员提出跳变源于光诱导的色心构型变化，近邻电学陷阱（间隙、空位、位错或氧杂质）电离/再充电引发的斯塔克位移可能同时起作用。该类中心较高出现率暗示其在MBE生长条件下易形成。后续将针对DFT预测的N_AlV_N中心（ZPL 713.6 nm）开展离子注入人工制备及温度稳定性研究。理解其起源并控制或稳定发射波长跳变，对基于技术成熟AlN氮化物平台的光子量子信息处理具有重要意义。