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Quasi-deterministic localization of Er emitters in thin film TiO2 through submicron-scale crystalline phase control

材料科学 薄膜 光致发光 光电子学 激光器 金红石 退火(玻璃) 纳米技术 光学 物理 化学 有机化学 复合材料
作者
Sean E. Sullivan,Jonghoon Ahn,Tao Zhou,Preetha Saha,Martin V. Holt,Supratik Guha,F. Joseph Heremans,Manish Singh
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (25)
标识
DOI:10.1063/5.0176610
摘要

With their shielded 4f orbitals, rare-earth ions (REIs) offer optical and electron spin transitions with good coherence properties even when embedded in a host crystal matrix, highlighting their utility as promising quantum emitters and memories for quantum information processing. Among REIs, trivalent erbium (Er3+) uniquely has an optical transition in the telecom C-band, ideal for transmission over optical fibers, making it well suited for applications in quantum communication. The deployment of Er3+ emitters into a thin film TiO2 platform has been a promising step toward scalable integration; however, like many solid-state systems, the deterministic spatial placement of quantum emitters remains an open challenge. We investigate laser annealing as a means to locally tune the optical resonance of Er3+ emitters in TiO2 thin films on Si. Using both nanoscale x-ray diffraction measurements and cryogenic photoluminescence spectroscopy, we show that tightly focused below-gap laser annealing can induce anatase to rutile phase transitions in a nearly diffraction-limited area of the films and improve local crystallinity through grain growth. As a percentage of Er:TiO2 is converted to rutile, the Er3+ optical transition blueshifts by 13 nm. We explore the effects of changing laser annealing time and show that the amount of optically active Er:rutile increases linearly with laser power. We additionally demonstrate local phase conversion on microfabricated Si structures, which holds significance for quantum photonics.

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