一种利用六方氮化硼制备单光子源的方法与流程

1.本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种利用六方氮化硼制备单光子源的方法。


背景技术：

2.量子信息技术在传感与测量、通信、仿真、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景，人们迫切需要能够实现量子技术的量子态载体。光子，具有优良的量子特性，是实现量子计算和量子通讯量子态的天然载体，在量子信息技术中具有重要的地位。1977年，kimble等人首次在实验中观察到光子反聚束效应，打开了探索量子光学的大门。随着对光子的深入研究，单光子在若干领域显示出了重要的应用价值。比如在量子保密通信的量子密钥分配中，单光子对于利用量子秘钥分配协议安全传递信息至关重要，只有在单光子通讯情况下，量子秘钥分配协议才可以确保信息不被窃听。在量子计算方面，光子量子比特可以通过操控光子的偏振和相位等自由度进行编码。因此，可控、稳定而且可以重复发射的单光子源对量子信息的发展至关重要。
3.经过不断地发展，人们已经在不同的物理体系中制备出各种量子光源以满足不同的实验和应用需求，主要包括单原子、单分子、金刚石色心和自组装量子点等。在这些不同体系中产生的单光子具有不同的特性，比如单原子系统产生的单光子拥有较好的相干性及较长的寿命，但是单光子源的制备复杂；单分子系统中的单光子源制备相对简单，但只能在极低温下才可以产生高品质的单光子。金刚石色心具有制备简单的优点，但是室温下量子效率不高，光子提取率比较低，这是三维材料本身的局限性。自组装量子点可以形成类似天然原子的二能级结构，可以提供至今为止品质最高的单光子源，但是需要昂贵的设备和技术支持。
4.人们发现六方氮化硼(hbn)中可以实现室温下的缺陷发光，是目前二维材料中唯一可以实现室温发射的单光子源。另外，hbn中的单光子源在常温下具有高的稳定性和高的亮度，使其成为最有希望走向实际应用的二维单光子源。实验上制备hbn的过程中会产生本征空位和杂质元素的掺杂，但是这些缺陷是随机产生的且密度通常情况下比较低，不利于人们对其类型及内在机理的分析。于是，研究人员不断尝试对hbn进行各种处理，以得到一种可靠的产生单光子的方法。比如，对材料在不同气体氛围中进行高温退火，产生的缺陷密度随着退火温度的不断提高而提高，但是缺陷位置是随机产生的，很难控制；利用过氧单硫酸(h2o2 h2so4)化学腐蚀方法，结果表明单光子源密度提高了6倍，达到每平方微米0.54个，但是这些缺陷大都集中在材料的边缘；利用电子束辐照、离子辐照和中子辐照对hbn材料进行处理，可以在整片材料上随机产生单光子源，虽然可以利用模板或者聚焦离子束定点制作缺陷，但是需要昂贵的微纳加工设备，工艺复杂成本高并且可能会对hbn材料产生额外的离子污染；另外，人们也在褶皱或气泡等结构上利用应力诱导产生单光子源。虽然这些方法都可以在某种程度上提高缺陷的产率，但是技术要求比较高，缺陷位置大都在材料边缘产生等缺点，因此，有必要探索一种简单有效，产生的单光子源的位置和类型可控的方法。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的单光子源制备过程中单光子源的位置不可控和如何产生高品质单光子源的技术问题，本发明的目的在于提供一种利用六方氮化硼制备高品质单光子源的方法。
6.为达到上述目的，本发明提出了一种利用六方氮化硼制备单光子源的方法，包括以下步骤：
7.(1)将带有hbn材料的衬底片放进紫外臭氧机中处理；
8.(2)采用飞秒激光脉冲对步骤(1)处理完成的所述hbn材料进行辐照，通过同时调节激光重频以及二维移动平台移动速度以调整加工速度，移动所述二维移动平台以定点制作缺陷或阵列批量单光子源；
9.(3)将步骤(2)中激光脉冲辐照完成的所述hbn材料放进紫外臭氧机中处理；
10.(4)将步骤(3)处理完成的所述hbn材料放进退火炉中退火处理。
11.步骤(1)中进行紫外臭氧机处理的作用是去除hbn材料中残留的胶液，步骤(3)进行紫外臭氧机处理的作用是去除制作过程中可能引入的杂质，进而提高单光子源发光品质。
12.本发明利用飞秒激光脉冲工艺在薄层hbn材料的指定位置处诱导产生色心单光子源，将飞秒激光脉冲工艺和退火工艺相结合实现hbn材料高品质色心单光子源的激活，另外通过调节系统中的激光重频和二维移动平台实现hbn材料色心单光子的快速大规模阵列加工。
13.进一步地，在所述步骤(1)之前还包括以下步骤：清洗所述衬底片；用机械剥离法将所述hbn材料转移到所述衬底片上。
14.进一步地，所述衬底片为石英衬底片。
15.进一步地，在所述步骤(2)中通过调整激光参数以得到不同发射特性的所述单光子源，所述激光参数包括激光功率和辐照脉冲数，所述辐照脉冲数为1-5个脉冲，所述激光重频小于1000hz。
16.不同发射特性的单光子源指的是单光子的亮度、发光波长、单光子纯度、偏振态不同。
17.进一步地，所述步骤(1)和所述步骤(3)中所述紫外臭氧机处理的时间均为5-30min，所述步骤(4)中所述退火处理时间为30-60min。
18.进一步地，所述二维移动平台用于搭载和移动所述hbn材料，通过调整所述二维移动平台的移动步长调整每个单光子源之间的空间距离。
19.进一步地，所述退火炉的温度为700-1000℃，所述退火炉的温度上升和下降的速率为10-30℃/min。
20.单光子源蕴藏在hbn材料中，退火温度在700-1000℃，达到了一个平衡点，使得在加工过程中既不破坏hbn材料又不破坏单光子源。
21.进一步地，所述清洗所述衬底片的操作过程为：分别用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗所述衬底片，用氮气吹干，并在热板上烘烤1-1.5min，所述热板的温度为100-120℃。
22.进一步地，将所述hbn材料转移到所述衬底片上的操作过程为：将所述hbn材料放到胶带上，反复黏贴3-5次以剥离块状的所述hbn材料得到层状的所述hbn材料，将层状的所
述hbn材料转移到清洗好的所述衬底片上，静置1-20min后将所述胶带剥离使得层状的所述hbn材料留在衬底片上。
23.进一步地，所述层状的所述hbn材料的厚度为15-120nm。
24.相对于现有技术，本发明的技术效果为：本发明涉及的利用六方氮化硼制备单光子源的方法基于飞秒激光脉冲工艺实现高效率的空间位置可控的高品质单光子源的制作，加工制备的单光子源具有亮度高、纯度高及室温工作的特性，且不需要较高的生产成本。
附图说明
25.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1为本发明制备方法流程图；
27.图2为本发明制备的hbn单光子源发光处的外貌图；
28.图3为本发明制备的hbn单光子源发射的荧光光谱图；
29.图4为本发明制备的hbn单光子源发射的二阶关联特性测试结果；
30.图5为本发明飞秒激光加工系统示意图。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的利用六方氮化硼制备单光子源的方法。
33.使用的单晶hbn材料为购买的hq graphene公司的bn2a1，胶带为scotch胶带。
34.如图1所示，该利用六方氮化硼制备单光子源的方法，包括：以下步骤：
35.(1)清洗衬底片；
36.(2)用机械剥离法将hbn材料转移到衬底片上；
37.(3)紫外臭氧机处理；
38.(4)飞秒激光脉冲加工hbn材料；
39.(5)紫外臭氧机处理；
40.(6)退火处理。
41.步骤(1)中清洗衬底片的具体操作过程为：分别用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗衬底片，衬底片为石英衬底片，用氮气吹干，其中氮气的纯度为99.9％，并在热板上烘烤1-1.5min，热板的温度为100-120℃。
42.步骤(2)中用机械剥离法将hbn材料转移到衬底片上的具体操作过程为：将购买的单晶hbn材料放到scotch胶带上，反复黏贴3-5次以剥离块状的hbn材料得到层状的hbn材料，所述层状的hbn材料的厚度为15-120nm，将层状的hbn材料转移到清洗好的衬底片上，静置1-20min后将胶带剥离使得层状的hbn材料留在衬底片上。
43.步骤(3)中紫外臭氧机处理是将带有hbn材料的石英衬底片放进紫外臭氧机中处理5-30min以去除hbn材料中残留的胶液。
44.步骤(4)中采用飞秒激光脉冲对步骤(3)处理完成的hbn材料进行辐照，通过同时调节激光重频以及二维移动平台移动速度以调整加工速度，移动二维移动平台以定点制作缺陷或阵列单光子源。如图5所示，飞秒激光加工系统包括透镜、反射镜、1/2波片、偏振片、空间光调制器、飞秒激光和二维移动平台，二维移动平台用于搭载和移动hbn材料，通过调整二维移动平台的移动步长调整每个单光子之间的空间距离，通过移动二维移动平台实现单光子源批量制备。具体为，二维移动平台的位置是步进式的，每次移动的精度为0.01um，最快速度为3mm/s，最远可移动20mm，二维移动平台由运动控制器控制。用飞秒激光脉冲辐照hbn材料，一个或几个脉冲照射可以产生一个缺陷。调整激光功率，可以移动二维移动平台定点制作缺陷或者制作高密度阵列单光子源，得到如图2所示的缺陷，从图中可以看出本发明可以在hbn材料上实现阵列缺陷制作。缺陷之间的空间距离通过调整二维移动平台的移动步长进行调节，加工速度通过调整激光重频进行调整，每秒钟移动次数和激光重频的乘积为1，比如在1khz的激光重频条件下，一秒钟移动一千次，可以是先一秒钟一千个缺陷的加工速度。激光参数不同得到的单光子源的发射特性不同，单光子发射特性不同指的是单光子亮度、发光波长、单光子纯度、偏振态不同。激光参数包括激光单脉冲能量和辐照脉冲数目，飞秒激光单脉冲功率通过旋转1/2波片及偏振片调节，单脉冲能量为15nj～80nj，激光重频小于1000hz，本发明采用的飞秒脉冲激光器的脉宽＜500飞秒。
45.步骤(5)中紫外臭氧机处理是将步骤(4)中激光脉冲辐照完成的hbn材料放进紫外臭氧机中处理5-30min以去除制作过程中可能引入的杂质，进而提高单光子源发光品质。
46.步骤(6)中退火处理是将步骤(5)处理完成的hbn材料放进退火炉中退火处理。退火炉的温度为700-1000℃，退火处理的时间为30-60min，退火炉的温度上升和下降的速率为10-30℃/min。单光子源蕴藏于hbn材料中，在加工过程中既不希望hbn材料被损坏又不希望单光子源被损坏，因此需要通过加工工艺使退火温度达到温度平衡点；退火温度低、时间短无法对缺陷进行较好的修补作用，不能够激活能够发光的缺陷，退火温度高、时间长会对材料产生破坏，可能将单光子缺陷损坏或者产生很大的噪声背景；退火温度上升和下降快会让材料中应力释放不充分，会对单光子源的形成造成破坏，因此，本发明将退火温度控制在700-1000℃，退火处理的时间控制在30-60min，退火炉的温度上升和下降的速率控制在10-30℃/min。
47.图3为本方法制备的hbn单光子源发射的荧光光谱，从图中可以看出单光子源发光位置在553nm附近，在可见光波段，发光信噪比较高，噪声强度约为发光强度的0.15％。图4为本方法制备的hbn单光子源发射的二阶关联特性测试结果，从二阶相关性在时间为零的位置小于0.5可以看出，制作得到的是单光子源，而且最小得到的g2(0)＝0.06，表明单光子纯度较高。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
50.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。