전압 제어에 의한 질화붕소-그래핀 이종구조 양자광원
Voltage-dependent quantum emitter of hexagonal boron nitride and graphene heterostructure
초록/요약
육각 질화 붕소 (hexagonal boron nitride, h-BN)는 약 6 eV의 큰 밴드갭 덕분에 다이아몬드 NV센터와 같이 상온에서 동작하는 고체 기반 양자 광원(quantum light source, SPS)으로 대두되고 있다. h-BN양자 광원은 다양한 파장대에 에너지를 가지고 있으며 2차원 물질이므로 구조적 변형을 주기 쉽고, 다른 2차원 물질과 결합한 이종구조를 통해 내부의 결함을 전자기적으로 제어하기 용이하다. h-BN과 그래핀과의 이종구조는 그래핀이 거의 투명하고 층상물질이기 때문에 소자를 제작하기 쉽고 큰 전기장을 가할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 그래핀은 퀀칭(quenching)효과를 가지고 있어 h-BN SPS에서 방출되는 빛 세기를 감소시킨다. 이 논문은 전압을 가해 그래핀의 페르미 레벨(Fermi level)을 변화시킴으로써 그래핀에 의한 h-BN 방사체(emitter)의 퀀칭 효과를 전기적으로 제어한다. 그래핀에 의한 퀀칭 제어는 연속적이고 가역적인 과정이다. 또한 퀀칭 제어에 의해 emitter의 발광 세기가 매우 크게 바뀌거나 새로운 peak이 생기는 스위칭 효과를 관찰할 수 있다. 이러한 특성은 필요에 따라 전압을 가하여 emitter의 세기를 조절할 수 있는 양자광소자에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
more초록/요약
Hexagonal boron nitride (h-BN) is emerging as a solid-based single photon emitter operating at room temperature because of its large band gap (~ 6 eV) such as diamond NV center. Because of the two-dimensionality of h-BN crystal, quantum emitters in the material can be easily tuned by strain. In addition, it is possible to electrically control the quantum emitters by fabricating heterogeneous device structures through combination with other two-dimensional materials. The heterogeneous structure formed by h-BN and graphene is advantageous because graphene is almost transparent and is a two-dimensional metal, appropriate for the optoelectronic device fabrication and the application of a large electric field. However, graphene possesses a quenching effect, which reduces the light intensity emitted from h-BN quantum emitters. This work reports the control of the quenching effect of h-BN emitters using graphene/h-BN/graphene heterostructures through changing the Fermi level of graphene. The quenching control by voltage is a continuous and reversible process. In addition, it is possible to observe a voltage-induced emission switching. Therefore, it is expected that our work can be applied to quantum optical devices that can adjust the intensity of quantum emitters by applying a voltage on demand.
more목차
제1장 서론 1
제2장 이론 및 배경 4
2.1 2차원 물질 4
2.1.1 그래핀(Graphene) 5
2.1.2 육각 질화 붕소(Hexagonal boron nitride, h-BN) 5
2.2 단일 광자 광원 (Single photon source) 7
2.3 h-BN 단일 광자 방사체(single photon emitter, SPE) 11
2.4 퀀칭(Quenching) 효과 14
2.4.1 에너지 전이(Energy transfer) 14
2.4.2 전하 전이(Charge transfer) 15
2.4.3 퀀칭(Quenching) 효과의 Voltage 제어 15
제3장 소자 제작 및 측정 방법 18
3.1 소자 제작 18
3.2 측정 방법 22
3.3 전압-전기장 변환 25
제4장 h-BN 단일 광자 광원의 PL 특성 26
4.1 2D 공간 스캔 26
4.2 단일 광자 광원(single photon source)의 PL 특성 29
제5장 전압을 사용한 h-BN 단일 광자 광원의 제어 31
5.1 전압에 의한 quenching 효과 제어 31
5.1.1 h-BN과 graphene으로 이루어진 이종구조 소자의 quenching 효과 31
5.1.2 전압에 의해 발생하는 emitter 관측 34
5.1.3 외부 전압에 의해 변하는 energy diagram 36
5.1.4 전압에 의해 나타나는 emitter의 추가 peak 38
5.1.5 외부 전압에 의해 변하는 energy diagram 40
제6장 결론 42
참고 문헌 44
