Funzionalizzazione con fasci ionici del diamante artificiale per la stimolazione elettrica di difetti luminescenti

Diamond is a material with unique physical properties, such as high thermal conductivity, high electrical resistivity and a wide energy gap, which make it one of the most promising candidates for the development of photonic quantum technologies. A peculiarity of the material is the abundance in its wide energy gap of optically active lattice defects - known as color centers – emitting electromagnetic radiation down to the single-photon level under proper external stimulation. The emission of diamond color centers is typically achieved by means of optical stimulation (photoluminescence). An interesting alternative strategy consists of an electrical stimulation based on the controlled injection of charge carriers into the material, that would allow in perspective the integration of a high density of quantum emitters in solid state devices, as well as their interface with classical control electronics. However, the injection of charge carriers in diamond is hampered by the high electrical resistivity and the lack of natural dopants, which require the exploration of new technological solutions in terms of material engineering. In my thesis work I explore the effectiveness of an electrical functionalization of diamond based on ion beam litography. Such method relies on the selective conversion of insulating diamond to its conductive allotropic form, in order to fabricate current-injecting graphitic electrodes embedded in single-crystalline bulk diamond. The graphitic electrodes analysed in this work consist of superficial structures fabricated by means of a 30 keV Ga+ ion beam focused on a sub-micrometric spot size. The thesis activity focuses on the electrical characterization of these structures according to the main parameters of fabrication and processing, such as implantation fluence and annealing temperature. This activity is followed by an analysis of the properties of graphite-diamond-graphite junctions with the purpose of apply electromagnetic fields interacting with the lattice defects occurring in the considered monocrystalline diamond samples.

Il diamante è un materiale dalle proprietà fisiche uniche in natura, tra le quali un'ottima conducibilità termica, un elevato valore di resistività elettrica ed un ampio gap energetico, che ne fanno uno dei più promettenti candidati per lo sviluppo di tecnologie quantistiche basate sulla fotonica. Una peculiarità del materiale è l'abbondanza di difetti reticolari otticamente attivi – noti come centri di colore – ospitati all'interno del suo ampio gap energetico, in grado di emettere radiazione elettromagnetica sino al livello del singolo fotone mediante opportuna stimolazione esterna. L'emissione di fotoni da centri di colore in diamante viene tipicamente ottenuta tramite una stimolazione ottica (fotoluminescenza). Una interessante strategia alternativa consiste nella stimolazione elettrica dell'emissione, basata su un'iniezione controllata di portatori di carica nel materiale, la quale consentirebbe in prospettiva l'integrazione di un'elevata densità di emettitori quantistici in dispositivi allo stato solido ed una loro interfaccia con un'elettronica di controllo classica. L'iniezione di portatori di carica in diamante è tuttavia ostacolata dall'alta resistività del materiale e dall'assenza di droganti naturali, e richiede dunque la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche nella funzionalizzazione del materiale. Nel mio lavoro di tesi esploro le potenzialità di un approccio di funzionalizzazione elettrica del diamante basato sulla litografia con fasci ionici. Questo metodo si basa sulla conversione selettiva del materiale nella sua forma allotropica conduttiva, per permettere così la fabbricazione di elettrodi grafitici integrati nella sua matrice cristallina. Gli elettrodi grafitici analizzati nel presente lavoro consistono in strutture superficiali fabbricate con un fascio di ioni Ga+ di energia di 30 keV, focalizzato su dimensioni spaziali sub-micrometriche. L'attività di tesi si focalizza sulla caratterizzazione elettrica di tali strutture in funzione dei principali parametri di fabbricazione e processamento, quali la fluenza di impiantazione e la temperatura di annealing. Tale attività è seguita da un'analisi delle proprietà di giunzioni grafite-diamante-grafite, realizzate allo scopo di indurre un'interazione con campi elettromagnetici dei difetti reticolari presenti nei campioni in diamante monocristallino considerati.