Ni/Si-basierte Farbzentren in Diamant als Einzelphotonenquellen

Abstract

In dieser Dissertation werden Untersuchungen an einzelnen Ni/Si-Farbzentren in Diamant vorgestellt. Bei diesen Systemen handelt es sich um vielversprechende Kandidaten für Einzelphotonenquellen, da sie schmale Emissionslinien im nahinfraroten Spektralbereich und hohe Photonenemissionsraten aufweisen. Die Zentren wurden über die Implantation von Ni- und Si-Ionen in Diamantproben zweier verschiedener Morphologien hergestellt und mit einem im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Konfokalmikroskop untersucht. Dieses ermöglicht den Einsatz verschiedener Laser zur optischen Anregung; zur Untersuchung der Fluoreszenz können ein Gitterspektrometer und ein Interferometer nach Hanbury Brown und Twiss verwendet werden. Die besten Emissionseigenschaften wurden mit Ni/Si-Zentren in einkristallinen Nanodiamanten auf Iridium erreicht: Es konnte eine Sättigungszählrate von knapp 1MHz mit einer Bandbreite von 2,3 nm bei einer Wellenlänge von 767,7 nm erzielt werden. Weitere Untersuchungen unter kontinuierlicher Anregung legen ein Schema mit drei Energieniveaus und einem sättigenden Deshelving als Modell zur Beschreibung der Dynamik einzelner Ni/Si-Zentren nahe. Ferner wurde über eine gepulste Anregung die getriggerte Erzeugung einzelner Photonen mit einer Rate von ca. 90 kHz demonstriert. Mit Hilfe von spektroskopischen Messungen bei verschiedenen Temperaturen wurde abschließend der Einfluss spektraler Diffusion und lokaler Schwingungen auf die Emissionslinienbreite nachgewiesen.

In this thesis, investigations on single Ni/Si color centers in diamond are presented. These systems are promising candidates for single photon sources because of their narrow emission lines in the near infrared spectral range and their high photon emission rates. The Ni/Si centers were created via implantation of Ni and Si ions into diamond samples of two different morphologies. The investigations of the emitters were performed using a confocal microscope that was constructed as part of this thesis. It enables the usage of different lasers for the optical excitation; the fluorescence can be analyzed by a grating spectrometer or a Hanbury Brown - Twiss interferometer. The best results were obtained with Ni/Si centers in single crystalline nanodiamonds on an iridium substrate: A saturation count rate of nearly 1 MHz with a spectral bandwidth of about 2.3 nm at an emission wavelength of 767.7 nm was achieved. Further investigations under continuous excitation suggest a model of three energy levels and a saturating deshelving process to describe the dynamics of the Ni/Si centers. The triggered creation of single photons with a rate of about 90kHz was demonstrated via pulsed excitation. Spectroscopic investigations at different temperatures show the influence of spectral diffusion and local modes on the width of the Ni/Si centers' emission lines.