Estudo da emissão singular de fotões por defeitos na rede do nitreto de boro hexagonal

Abstract

Com a descoberta do grafeno em 2004, o estudo de materiais 2D e a busca pela compreensão das suas propriedades fascinantes têm crescido. A possibilidade de materiais 2D hospedarem defeitos que funcionam como pontos emissores de fotões singulares como o caso do nitreto de boro hexagonal (h-NB) têm motivado estudos nesse âmbito. Embora a natureza dos defeitos emissores de fotões singulares seja ainda um assunto de muito debate académico, a propriedade de emissão ótica tem motivado numerosas pesquisas científicas. Nesta tese estudou-se a emissão de fotões por defeitos atómicos em h-BN. A amostra foi excitada por uma fonte que consiste num laser pulsado que emite pulsos de cem fentossegundos de largura com uma repetição de 76MHz e o comprimento de onda de excitação de 530nm com a emissão acima de 600nm. O comprimento de onda de excitação foi obtido a partir de uma fibra fotónica que foi usada para produzir luz branca da qual separou-se o comprimento de onda de interesse para excitar a amostra. A emissão de fluorescência foi estudada com o recurso da técnica Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM), usando-se o método Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Os primeiros resultados mostraram uma grande densidade de pontos emissores na amostra e de uma forma geral as fontes emissoras apresentaram bleaching gradual, quando sobre eles se incidiu o feixe de excitação e em alguns casos terminando com o bleaching total da fonte emissora. As medições revelaram também a manifestação do blinking das fontes emissoras. A forte manifestação do bleaching que terminou com o bleaching total em alguns casos, questionou a natureza das fontes, pois era suposto que esses se mantivessem estáveis durante longas medições. Portanto, um annealing a 500ºC em alto vácuo foi realizado para limpar a amostra de possíveis impurezas que funcionam como fontes emissoras de fluorescência. Os resultados depois do annealing mostraram uma densidade mais baixa de fontes emissoras de fluorescência.

With the discovery of graphene in 2004, the study of 2D materials and the pursuit of understanding its fascinating properties have grown. The possibility of 2D materials hosting defects that function as single photon emitting points such as in hexagonal boron nitrate (h-NB) has motivated further study in the area. Although the nature of single photon emitting defects is still a matter of much academic debate, the optical emission property has motivated numerous scientific research. In this thesis, the photon emission by atomic defects in h-BN was studied. The sample was excited by an excitation source consisting of a pulsed laser that emits one hundred femtoseconds wide pulses with a repetition of 80 MHz and the excitation wavelength of 530 nm with emission above 600 nm. The excitation wavelength was activated from a photonic fiber that was used to produce white light where it was selected or the wavelength of interest to excite a sample. Fluorescence emission was studied using the Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) technique using the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) method. The first results showed a high density of emitting points in the sample and generally, the emitting sources showed gradual bleaching when the excitation beam was focused on them and in some cases ending with the total bleaching of the emitting source. The measurements also revealed the manifestation of blinking from the emitting sources. The strong bleaching outbreak that ended in full bleaching in some cases questioned the nature of the sources as they were supposed to remain stable over long measurements. Therefore, annealing at 500ºC was performed to clean the sample of possible impurities that act as fluorescence emitting sources and to increase the number of single photon emitting defects. The results after annealing showed a density of fluorescence emitting sources. Such sources showed low intensity in relation to fluorescent spots observed before annealing.