شماره مدرك
21185
شماره راهنما
2505 دكتري
پديد آورنده
استاجي، نسرين
عنوان
بررسي واهلش اسپين-فونون و تابندگي مراكز نقص〖VB〗- در چندگون هاي دوبعدي نيتريد بور
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
ماده چگال
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هشت، 109ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
نقص در چندگون BN , زمان همدوسي , واهلش اسپين-فونون , فناوري¬هاي كوانتومي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/05/17
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
فيزيك
دانشكده
فيزيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/05/17
كد ايرانداك
23227721
چكيده فارسي
در ميان نيمه¬رسانا¬هاي دوبعدي، نيتريد بور (BN) با گاف¬نواري پهن حدود 6 الكترون¬ولت قابليت بالايي براي ميزباني مراكز رنگي و نقص¬هاي اسپيني حالت جامد نشان داده است. ساختار BN دوبعدي با هيبريدشدگي تعدادي چندگون مختلف دارد كه در آنها hBN با ساختار لايه¬اي و rBN با ساختار لايه¬¬اي ABC پايدارتر از چندگون¬هاي ديگر مي¬باشند. تغيير در چيدمان لايه¬ها و نحوه برهم¬كنش آنها منجر به خواص فيزيكي مختلفي مي¬شود. rBN علاوه بر داشتن خواص مطلوب hBN خواصي از جمله اپتيك غيرخطي و فروالكتريكي نيز دارد. در مواد دوبعدي به علت كاهش چگالي فونون¬ها، نرخ واهلش اسپين-فونون نسبت به مواد سه بعدي انتظار مي¬رود كه كندتر باشد و بنابراين به¬كارگيري نقص¬هاي اسپيني در مواد دوبعدي امتياز محسوب مي¬شود. نقص در hBN به علت كاربردهاي متنوعي كه در فناوري¬هاي كوانتومي از جمله محاسبات كوانتومي، اطلاعات كوانتومي و حسگرهاي كوانتومي دارد بسيار مورد توجه قرار گرفته است. اين نقص اسپيني داراي اسپين يك در حالت پايه است كه اخيراً قابليت آشكارسازي اپتيكي تشديد مغناطيسي آن به طور تجربي نشان داده شده است. اين ويژگي قابل¬توجه قابليت كنترل همدوس نقص اسپيني در دماي اتاق را فراهم مي¬كند. بيشتر كاربردهاي كوانتومي نقصهاي اسپيني بستگي به زمان همدوسي اسپين الكترون دارند و اين زمان به طور قابل¬توجهي توسط برهم¬كنش¬هاي اسپين و فونون محدود مي¬شود. بنابراين تعيين زمان همدوسي، نقش مهمي در كاربردهاي نقصهاي اسپيني در فناوري¬هاي كوانتومي ايفا مي¬كند.
در اين پژوهش نقص اسپيني در تك¬لايه hBN، ساختارهاي پايدار hBN و rBN با استفاده از محاسبات مبتني بر نظريه تابعي چگالي مورد مطالعه قرار گرفت. بعد از انجام محاسبات فونوني و اسپيني، واهلش اسپين- فونون كه زمان همدوسي اسپين الكترون را محدود مي¬كند در حالت پايه الكتروني مورد بررسي قرار گرفت و نرخ¬هاي واهلش گذارهاي اسپيني مجاز به صورت تابعي از دما به¬دست آورده شدند. در اين پژوهش نشان داده شد كه وابستگي دمايي نرخ واهلش با استفاده از فرايندهاي دو فونوني رامان و برهم¬كنش¬هاي اسپين-فونون مرتبه دوم به¬دست مي¬آيد. همچنين مشاهده شد كه در دماهاي بالا واهلش اسپين-فونون غالباً در نتيجه برهمكنش اسپين الكترون نقص با فونون¬هاي موضعي¬ است كه به علت حضور نقص در شبكه ظاهر مي¬شوند. نتايج بررسي¬ها نشان دادند كه زمان واهلش اسپين-فونون نقص در تك¬لايه hBN و ساختار مشابه است، در حالي¬كه ساختار زمان واهلش طولاني¬تري دارد. در بررسي خواص اپتيكي مشاهده شد كه كاهش تقارن rBN نسبت به hBN باعث بهبود خواص اپتيكي و افزايش طول¬عمر تابشي نقص در rBN شده است. بنابراين نقص در rBN كه از جمله ساختارهاي دوبعدي پايدار BN مي¬باشد خواص همدوسي اسپيني و خواص اپتيكي مطلوب¬تري جهت كاربردهاي فناوري كوانتومي در مقايسه با hBN نشان مي¬دهد.
چكيده انگليسي
Among two-dimensional semiconductors, boron nitride (BN) with a wide bandgap of 6 eV has shown high potential for hosting solid-state color centers and spin defects. The 2D BN exhibits various polytypes, among which hBN and rBN are more stable than other polytypes. Changes in stacking sequence and their interactions lead to various physical properties. In addition to the desirable properties of hBN, rBN possesses additional properties such as nonlinear optics and ferroelectricity. In 2D materials, due to the reduced phonon density, the spin-phonon relaxation rate is expected to be slower compared to three-dimensional materials; therefore, the use of spin defects in 2D materials is considered an advantage. The spin defect in hBN has attracted considerable attention due to its diverse applications in quantum technologies, including quantum computing, quantum information, and quantum sensing. This spin defect has a spin-1 ground state, and its optical detection of magnetic resonance (ODMR) has recently been demonstrated experimentally. This notable feature enables coherent control of the spin defect at room temperature. Most quantum applications of spin defects depend on the electron spin coherence time, which is significantly limited by spin-phonon interactions. Therefore, determining the coherence time plays a crucial role in the application of spin defects in quantum technologies.
In this research, the spin defect in monolayer hBN, as well as stable hBN and rBN structures, were studied using Density Functional Theory (DFT) calculations. After performing phononic and spin calculations, spin-phonon relaxation, which limits the electron spin coherence time, was investigated in the electronic ground state, and the relaxation rates for allowed spin transitions were obtained as a function of temperature. This study demonstrated that the temperature dependence of the relaxation rate is derived from two-phonon Raman processes and second-order spin-phonon interactions. It was also observed that at high temperatures, spin-phonon relaxation is predominantly due to the interaction between the defectʹs electron spin and local phonons arising from the presence of the defect in the lattice. The results indicated that the spin-phonon relaxation time for the defect in monolayer hBN and hBN is comparable, whereas the rBN exhibits a longer relaxation time.
In the optical property analysis, it was observed that the reduced symmetry of rBN compared to hBN improves optical properties and increases the radiative lifetime of VB^- in rBN. Consequently, the VB^- in rBN, one of the stable 2D BN polytypes, demonstrates superior spin coherence and optical properties for quantum technology applications compared to hBN.
استاد راهنما
اسماعيل عبدالحسيني سارسري
استاد مشاور
مهدي عبدي
استاد داور
پيمان صاحب سرا , احسان عموقربان , سعيد جلالي اسدابادي