研究目的
研究碳化硅作为承载深度光学活性缺陷的材料在量子技术应用中的潜力，包括单光子源和自旋量子比特，并探索其集成至先进器件与传感器的方法。
研究成果
碳化硅（SiC）因具有多种具备量子特性的顺磁缺陷、室温单光子发射能力、与金刚石NV色心相当的较长自旋相干时间，以及与标准器件工艺的兼容性，成为量子技术领域极具前景的材料。未来研究应聚焦于特定位置的缺陷工程、集成纳米光子腔以提升性能、同位素纯化以改善相干时间，以及实用化量子器件与传感器的开发。
研究不足
挑战包括某些缺陷的弱光致发光强度和较差的ODMR对比度、红外发射体需要低温环境、精确定位光子器件内缺陷的困难，以及为减少杂质引起的自旋退相干而需要高纯度材料。纳米光子结构的制备可能造成影响光学效率和自旋相干性的损伤。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用共聚焦显微镜、电子与中子辐照产生缺陷、退火工艺、激光光学激发及光探测磁共振（ODMR）技术，用于表征和控制碳化硅中的自旋态与单光子发射。通过理论模型和量子力学模拟来理解缺陷特性与纳米结构行为。
2：样本选择与数据来源：
样本包括高纯度半绝缘4H-SiC晶圆、3C-SiC纳米颗粒、SiC纳米四足体及多种多型体（4H、6H、3C）SiC。通过辐照（电子、中子）和退火产生缺陷，数据采集自光致发光（PL）测量、光子关联实验及ODMR光谱。
3：4H、6H、3C）SiC。通过辐照（电子、中子）和退火产生缺陷，数据采集自光致发光（PL）测量、光子关联实验及ODMR光谱。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：设备包含共聚焦显微镜、激光器（如532 nm、730 nm、975 nm）、电子辐照源、用于加工固体浸没透镜的聚焦离子束、超导纳米线单光子探测器、原子力显微镜、拉曼光谱仪、阴极荧光装置及用于自旋控制的微波发生器。材料涉及悬浮于乙醇或MilliQ水等溶剂中的SiC晶圆、纳米颗粒及纳米结构。
4：实验流程与操作步骤：
流程包括辐照SiC样本以产生缺陷、退火稳定缺陷、使用共聚焦显微镜分离单发射体、通过汉伯里-布朗-特维斯干涉仪测量PL光谱与光子统计量、施加磁场与微波激发进行ODMR检测，以及通过刻蚀与图案化技术制备光子晶体腔与微盘等纳米光子结构。
5：数据分析方法：
数据分析包括拟合PL光谱以识别零声子线与声子边带、计算光子关联函数确认单光子发射、解析ODMR信号确定自旋参数，以及运用量子力学模拟建模纳米结构中的能带结构与发射特性。
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confocal microscope
Used for isolating single emitters and measuring photoluminescence in SiC samples.
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laser
532 nm, 730 nm, 975 nm
Used for optical excitation of defects in SiC to induce photoluminescence and for spin control experiments.
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electron irradiation source
2 MeV
Used to create defects in SiC samples by irradiation.
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focused ion beam
Ga focused ion beam
Used for milling solid immersion lenses in SiC to enhance photon collection efficiency.
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superconducting nanowire single-photon detector
Used to detect single photons in the infrared region for quantum emission studies.
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atomic force microscope
Used to correlate the size of nanocrystals with photoluminescence in SiC nanostructures.
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Raman spectrometer
Used for low-temperature spectroscopy to study the origin of single-photon sources in SiC nanocrystals.
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cathodoluminescence setup
Used to aid the study of photoluminescence origins in SiC nanocrystals.
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microwave generator
Used for optically detected magnetic resonance (ODMR) to control and read out spin states of defects.
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reactive ion etching system
Used for fabricating nanophotonic structures like photonic crystal cavities and microdiscs in SiC.
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