Herstellung von Diamant-Nanokristallen und Hybrid-Integrierten- Einzelphotonenquellen

Teil der Einleitung

In dieser Arbeit steht das Silizium-Fehlstellen-Zentrum (engl. silicon-vacancy centre, SiV centre) in Diamant im Mittelpunkt. Dieser Defekt im Diamantgitter wird aus einem substitutionellen Siliziumatom und einer Fehlstelle gebildet. Zum Arbeiten mit SiVs sind weder Vakuumbedingungen noch kryogene Temperaturen notwendig. Weitere entscheidende Vorteile des SiV-Zentrums sind geringe Linienbreiten <1nm bei Raumtemperatur, was für Festkörpersysteme einzigartig ist, hohe Repetitionsraten aufgrund einer kurzen Lebensdauer des angeregten Zustandes von nur 1 ns und einer hohen Photostabilität; was einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht Außerdem sind die emittierten einzelnen Photonen linear polarisiert, was das SiV-Zentrum interessant f¨ur die Anwendung in der Quantenkyrptographie macht. Das SiV-Zentrum konnte jedoch im Gegensatz zu anderen Farbzentren bisher nur optisch und noch nicht erfolgreich elektrisch angeregt werden. Ziel dieser Masterarbeit ist es, vorbereitend Techniken f¨ur die Herstellung einer Hybrid-Integrierten-Einzelphotonenquelle zu entwickeln. Dazu gehört die Herstellung von Nanodiamanten (Diamanten in der Größenordnung einiger 100 nm) mit einzelnen SiV-Zentren und Methoden zum Identifizieren und Transferieren solcher Nanodiamanten. Die Hybrid-Integrierte-Einzelphotonenquelle soll kompakt gebaut sein, elektrisch angeregt werden und bei Raumtemperatur arbeiten. Um dies zu erreichen, wird ein Oberflächenemittierender Mikroresonatorlaser (engl. vertical cavity surface emitting Laser, VCSEL) mit einem Nanodiamanten, welcher ein einzelnes SiV-Zentrum enthält, kombiniert. Das Licht des VCSEL soll das SiV-Zentrum optisch anregen, sodass einzelne Photonen emittiert werden. Die VCSEL können mit hohen Wiederholraten und steilen Flanken elektrisch kontrolliert werden, wodurch die Einzelphotonenemission elektrisch getriggert wird. Außerdem kann die Emissionswellenl¨ange des VCSEL angepasst und so auf das Absorptionsmaximum des SiV-Zentrums abgestimmt werden. Die verwendeten VCSEL emittieren Licht bei 660 nm, da SiV-Zentren bei dieser Wellenl¨ange bereits effizient angeregt werden können.