Geri Dön

Generation of quantum emitters by introducing color centers inside diamond

Elmas içerisinde renk merkezleri oluşturularak kuantum emiterlerin üretilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 943267
  2. Yazar: SEVİL BERRAK IRMAK ŞENTÜRK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR ERGEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Bu tezin odağı, elmas içerisindeki azot-boşluk (NV) renk merkezlerinin kontrollü bir şekilde üretilmesidir. Bu merkezler katı-hal kuantum emiterler olarak davranırlar. Kuantum emiterler, tek foton üretme yetenekleri sayesinde kuantum optik sistemlerin temel yapı taşlarından biridir. Bu özellik, onları kuantum iletişimi, kuantum anahtar dağıtımı (QKD), kuantum bilgi işleme, kuantum ağları ve yüksek hassasiyetli kuantum sensörleri gibi birçok alanda vazgeçilmez kılmaktadır. Kuantum emiterler arasında NV merkezleri, oda sıcaklığında kararlı fotolüminesans sergileyebilen, uzun süreli spin koheransı sağlayan ve spin durumları optik olarak okunabilen nadir sistemlerden biridir. NV merkezlerinin başarılı şekilde uygulanabilmesi için, bu merkezlerin elmas içerisinde belirli bir düzende, tekrarlanabilir şekilde ve uygun yoğunlukta üretilebilmesi gerekmektedir. Bu bağlamda bu tezde, düşük enerjili elektron ışını ile desenlenmiş vakanslar oluşturulmuş ve ardından yüksek sıcaklıkta yapılan tavlama işlemiyle bu vakansların elmas kristalinde mobilize olması ve en yakın komşu azot atomları ile birleşerek NV merkezlerini oluşturması sağlanmıştır. Bu yöntem, hem düşük hasar potansiyeli hem de konum kontrolü avantajı ile dikkat çekmektedir. Böylece NV merkezlerinin konum, yoğunluk ve optik özellikleri üzerinde hassas kontrol sağlanarak, kuantum teknolojilerinde ölçeklenebilir sistemlere entegre edilmesine katkı sunulması hedeflenmiştir. Tez kapsamında kullanılan elmas örneği, Element Six firmasından temin edilmiş, yüksek basınç-yüksek sıcaklık (HPHT) yöntemiyle sentezlenmiş, tek kristal yapıda, {100} düzlemine sahip, tip Ib bir elmas plaktır. Bu elmasa sentezlenme aşamasında azot katkılanmıştır. Deneysel çalışmada, elmasın dört köşesine farklı dozlarda (0.5–5.0 C/cm²) elektron ışını uygulanmıştır. Bu işlem sırasında yüksek çözünürlüklü bir elektron demet litografi cihazı kullanılarak kristal içerisinde kontrollü boşluk yapıları oluşturulması hedeflenmiştir. Sonrasında elmas 800 °C'de argon atmosferinde iki saat boyunca tavlanarak bu boşlukların azot atomlarıyla birleşmesi ve NV merkezlerinin oluşması sağlanmıştır. Her işlem adımında (işlenmemiş hal, ışınlamadan sonra ve tavlamadan sonra) örnek detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. Fotolüminesans (PL) spektroskopisi, Raman spektroskopisi, elektron spin rezonansı (ESR) ve topografik yüzey analizi kullanılarak elde edilen veriler yorumlanmıştır. Raman spektroskopisi ile ilk öncelikle deneyin her aşamasında karakteristik elmas piki gözlemlenerek kristal kafesin bütünlüğü doğrulanmıştır. Bununla beraber örneğin yüzeyine uygulanan Raman kaymasındaki haritalandırma metodları yapıdaki gerilme-gerinim (strain-stress) ilişkilerine dair bilgi vermiştir. Elmas kristalinin 1332 cm⁻¹ civarındaki karakteristik Raman pikinin konumundaki kaymalar ve pik genişliklerindeki (FWHM) değişimler, örnek yüzeyinde oluşan lokal mekanik gerilmeler hakkında bilgi sunmuştur. Elektron ışını uygulanmayan bölgelerde dahi gözlemlenen pik kaymaları, örnekte mikroskobik düzeyde gerilim dağılımının hali hazırda bulunduğunu göstermektedir. Bu gerilmeler, NV merkezlerinin optik ve spin özelliklerini doğrudan etkileyebilmekte; özellikle emisyon dalga boyunun kararlılığı, merkezlerin kristal içerisindeki uzamsal dağılımı ve foton verimliliği gibi kritik parametrelerde dalgalanmalara yol açabilmektedir. Raman haritaları sonucunda, örneğin tüm yüzeyinde çekme gerilmesine rastlanmıştır. Fakat elmas plakın köşelerinde çekme gerilmesi azalmaktadır ve en yoğun NV merkezi oluşumu buralarda meydana gelmiştir. Bu dağılım köşelere uygulanan elektron demet litografisi ile açıklanamaz çünkü litografi ile uygulanan desenlerin net bir şekilde seçildiği yerlerde bile desenlerin dışında kalan bölgelerden daha yüksek NV- merkezi kaynaklı fotolüminesans emisyonu detekte edilmiştir. Bu nedenle, NV merkezlerinin homojen ve kararlı özelliklerle üretilebilmesi için gerilme kaynaklı sapmaların anlaşılması ve kontrol altına alınması büyük önem taşımaktadır. Fotolüminesans ölçümleri sonucunda, 575 nm civarında NV⁰ (nötr) merkezlerine, 638 nm civarında ise NV⁻ (negatif yüklü) merkezlere ait emisyonlar net bir biçimde gözlemlenmiştir. Özellikle 638 nm civarındaki yoğun ve belirgin emisyonlar, başarılı NV⁻ oluşumunu teyit etmiştir. Bu emisyonların doz miktarına bağlı olarak 575 nm civarındaki emisyonlardan daha fazla arttığı gözlemlenmiştir. Böylece NV⁻ merkez yoğunluğunun ışınlama dozu ile ayarlanabildiği ve tavlama ile artırılarak emisyon intensitesinin çok daha belirgin hale geldiği gösterilmiştir. Fotolüminesans haritalama çalışmaları, oluşturulan NV merkezlerinin sadece örneğin ışınlanan köşelerinde yoğunlaştığını göstermiştir. Fakat bu durumun elmak plak üzerindeki heterojen çekme gerilmesi dağılımı ile de ilişkilendirilebilmektedir. Bununla birlikte tek bir köşe için uygulanan desen bire bir şekilde fotolüminesans haritasında görülmektedir. Bu durum, yöntemin seçici ve kontrol edilebilir olduğunu kanıtlamaktadır. Aynı zamanda farklı köşelerdeki farklı desenlerde elde edilen fotolüminesans haritaları, uygulanan dozun NV yoğunluğunu doğrudan etkilediğini desteklemiştir. Yüksek dozlarda daha parlak ve büyük ışıma alanları haritalandırılmışken düşük dozlarda zayıf ve küçük ışıma alanları gözlenmiştir. ESR ölçümleri, elmas malzemedeki manyetik dipol momente sahip elektronlaarın davranışlarını, yani NV merkezlerinin spin özelliklerini ve yük geçişlerini incelemek için kullanılmıştır. NV merkezler oda sıcaklığında spin = 1 özelliği gösteren üçlü (triplet) temel duruma sahiplerdir. Bu spin seviyeleri manyetik alanın yokluğunda bile, yani sıfır alan bölünmesiyle belirli bir enerji farkıyla ayrılır. Tavlama sonrası yapılan ESR analizlerinde X-band olarak geçen 9.8 GHz seviyesinde mikrodalgalar kullanılmıştır. Rezonans sinyali 327-330 mT arasında gözlemlenmiş ve 2.87 GHz civarındaki sıfır alan bölünmesine (zero-field splitting) işaret ettiği şeklinde yorumlanmıştır. Bu değer NV⁻ merkezinin karakteristik spin yapısını doğrulamıştır. Ayrıca, ışınlama sonrası-tavlama öncesi durumundan tavlama sonrası durumuna geçişte NV⁰ merkezlerinin NV⁻ haline dönüştüğü gözlemlenmiştir. Son olarak bir elektronun manyetik momenti ile açısal momentumu arasındaki oranı tanımlayan boyutsuz bir büyüklük olan g-faktörü (Landé g-faktörü) hesaplanmıştır ve serbest elektronun g-değerine çok yakın bulunmuştur. Bu da, gözlemlenen rezonansın NV⁻ merkezlerine ait olduğunu ve bu merkezlerin spin karakteriyle tutarlı olduğunu göstermektedir. Çalışmanın ayırt edici yönlerinden biri, genellikle daha yüksek enerjilerde gerçekleştirilen iyon implantasyonu yerine, düşük enerjili (100 keV) elektron ışını ile NV merkezlerinin üretilebilmiş olmasıdır. Bu yöntem sayesinde hem elmasın kristal yapısına verilen hasar azaltılmış, hem de desenli ve hassas bölgelere lokalize üretim sağlanmıştır. Ayrıca düşük enerjiyle çalışmak, maliyet ve cihaz erişilebilirliği açısından da daha sürdürülebilir bir yaklaşım sunmaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, elmas kristali içerisinde azot-boşluk merkezlerinin düşük enerjili elektron ışınımı ve tavlama yöntemiyle kontrollü ve tekrarlanabilir biçimde üretilebileceğini göstermektedir. Özellikle optik karakterizasyon ve gerilme analizleriyle desteklenen bulgular, NV merkezlerinin kuantum cihazlara entegre edilebilirliğini göstermekte; yüksek hassasiyetli kuantum sensörlerinden entegre kuantum fotonik devrelere kadar geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılabileceklerini ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis explores the generation of nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond, which are solid-state quantum emitters. Quantum emitters are critical for applications in quantum cryptography, sensing, and computing. Due to their stable photoluminescence and long spin coherence times at room temperature, NV centers are particularly worthy of studying in quantum technologies. The study aims to produce NV centers in a controlled manner by using low-energy electron beam irradiation and thermal annealing. The experimental method began with the selection of a nitrogen doped high-pressure high-temperature (HPHT) synthesized type Ib single-crystal plate diamond with a {100} surface orientation, obtained from Element Six. Electron irradiation was carried out using a lithography system at 100 keV with varying doses (0.5–5.0 C/cm²) applied in specific patterns on four corners of this sample. This step aimed to introduce vacancies in a spatially resolved manner. Subsequent annealing at 800 °C under argon flow at 100 CCM was done to induce the migration of these vacancies to nearby substitutional nitrogen atoms. These processes combined lead to the formation of NV centers. A comprehensive characterization process was conducted at each stage using topographical imaging with an optical profilometer, Raman spectroscopy, photoluminescence (PL) spectroscopy, and electron spin resonance (ESR). Raman analysis confirmed the integrity of the diamond lattice post-treatment. It also provided insights into strain–stress relations within the diamond lattice. Shifts in the diamond Raman peak position and changes in full width at half maximum (FWHM) across the sample revealed localized lattice stress. This discovery was important because these stress variations directly influence NV center formation and performance. PL spectroscopy detected distinct zero-phonon line (ZPL) emissions at ~638 nm, indicative of negatively charged NV⁻ centers. The intensity of NV⁻ emission was observed to vary with electron dose, which indicates the ability to control NV center density. Mapping of the PL signal further demonstrated successful spatial control of NVs on the sample. ESR measurements confirmed the spin-related properties of the generated centers and the charge state transition from NV⁰ to NV⁻ following annealing. Overall, this work stands out for its use of low-energy electron irradiation which is preferable due to easier control over defect positioning and potentially lower damage to the host lattice. This thesis contributes to the development of deterministic NV center engineering.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    651843

    Fano-control of localized and nonlocalized nonlinear response

    Lokolize ve lokalize olmayan doğrusal olmayan sinyalin fano kontrolü

    ZAFER ARTVİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN

  2. Tez No

    246238

    Selective plasmonic control of excitons and their non-radiative energy transfer in colloidal semiconductor quantum dot solids

    Kolloidal yarıiletken kuvantum noktacık filmlerinde ekzitonların seçimli plazmonik kontrolü ve radyasyonsuz enerji transferleri

    TUNCAY ÖZEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  3. Tez No

    518999

    Colloidal photonics of semiconductor nanocrystals: From polarized color conversion to efficient solar concentration

    Yarıiletken nanokristallerin koloidal fotoniği: Polarize renk dönüşümünden verimli güneş ışığı yoğunlaştırılmasına

    KIVANÇ GÜNGÖR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  4. Tez No

    444184

    Sorting single wall carbon nanotubes by electronic structure using gel chromatography

    Tek duvarlı karbon nanotüplerin elektronik yapılarına göre jel kromatografi yöntemi ile ayrılması

    FERESHTEH ORDOKHANI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KARATEPE YAVUZ

  5. Tez No

    277003

    Novel nanocrystal-integrated LEDs utilizing radiative and nonradiative energy transfer for high-quality efficient light generation

    Yüksek kaliteli, verimli ışık üretilmesi için ışınımsal olan ve olmayan enerji transferi kullanan, nanokristal ile tümleştirilmiş özgün LED?ler

    SEDAT NİZAMOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

Geri Dön