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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2501.00561v1 (cond-mat)
[提交于 2024年12月31日 ]

标题: 铬杂质在$β$-Ga$_2$O$_3$中的表征

标题: Characterization of Chromium Impurities in $β$-Ga$_2$O$_3$

Authors:Mark E. Turiansky, Sai Mu, Lukas Razinkovas, Kamyar Parto, Sahil D. Patel, Sean Doan, Ganesh Pokharel, Steven J. Gomez Alvarado, Stephen D. Wilson, Galan Moody, Chris G. Van de Walle
摘要: 铬是一种常见的过渡金属杂质,在晶体生长过程中很容易被掺入。它或许最广为人知的是在掺铬的氧化铝(Al$_2$O$_3$)中激发了694.3纳米(1.786电子伏特)的发射,这一特性被用于红宝石激光器。此外,铬还被发现在单斜晶系氧化镓中,这是一种被研究用于功率电子学的宽禁带半导体。在这项工作中,我们通过理论和实验技术全面表征了铬在氧化镓(Ga$_2$O$_3$)中的行为。采用浮区法生长的$\beta$-Ga$_2$O$_3$样品显示出尖锐的光致发光信号,类似于红宝石。我们从头计算了铬形成的能量学,证明铬倾向于以中性杂质的形式占据八面体位置。铬具有四重基态自旋,并且在接近1.8电子伏特处有一个零声子线的内部跃迁。通过比较计算和实验测量的发光线型函数,我们阐明了与声子耦合的作用,并揭示了超出弗兰克-康登近似之外的特征。 强发射与小 Huang-Rhys 因子(0.05)以及具有技术相关性的宿主材料相结合,使得 Cr 在 Ga$_2$O$_3$中成为一种有吸引力的量子缺陷。
摘要: Chromium is a common transition-metal impurity that is easily incorporated during crystal growth. It is perhaps best known for giving rise to the 694.3 nm (1.786 eV) emission in Cr-doped Al$_2$O$_3$, exploited in ruby lasers. Chromium has also been found in monoclinic gallium oxide, a wide-bandgap semiconductor being pursued for power electronics. In this work, we thoroughly characterize the behavior of Cr in Ga$_2$O$_3$ through theoretical and experimental techniques. $\beta$-Ga$_2$O$_3$ samples are grown with the floating zone method and show evidence of a sharp photoluminescence signal, reminiscent of ruby. We calculate the energetics of formation of Cr from first principles, demonstrating that Cr preferentially incorporates as a neutral impurity on the octahedral site. Cr possesses a quartet ground-state spin and has an internal transition with a zero-phonon line near 1.8 eV. By comparing the calculated and experimentally measured luminescence lineshape function, we elucidate the role of coupling to phonons and uncover features beyond the Franck-Condon approximation. The combination of strong emission with a small Huang-Rhys factor of 0.05 and a technologically relevant host material render Cr in Ga$_2$O$_3$ attractive as a quantum defect.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2501.00561 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2501.00561v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00561
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
相关 DOI: https://doi.org/10.1063/5.0255859
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来自: Mark Turiansky [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2024 年 12 月 31 日 17:48:10 UTC (8,307 KB)
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