Spin-Dependent Recombination between Phosphorus Donors in Silicon and Si/SiO2 Interface States Investigated with Pulsed Electrically Detected Electron Double Resonance
我们研究的自旋物种相关的自旋相关的复合用于电读出的相干自旋操纵在磷掺杂硅。通过脉冲电探测磁共振多频抽运探测实验，我们证明了在磷施主和Si/SiO2界面态之间存在自旋相关的复合跃迁。在不同的微波频率组合脉冲，使我们能够选择性地解决参与重组过程中的两个自旋子系统，并相干操纵和检测的两个重组伙伴的相对自旋取向。
2010-02-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Electron spin echo relaxation and envelope modulation of phosphorus shallow donors in silicon
单施主原子的自旋是在硅中进行大规模量子信息处理的有吸引力的候选者，因为量子计算可以通过操纵电子和/或核自旋来实现。我们在这里报告的双脉冲电子自旋回波实验的磷浅施主在天然和28 Si富集硅外延层掺杂10^16 cm-3的P施主。实验解决了自旋-自旋弛豫时间和机制，并提供，通过电子自旋回波包络调制（ESEEM）的效果，信息的施主电子波函数。作为脉冲转向角的函数进行的实验使我们能够测量由瞬时扩散净化的指数弛豫和光谱扩散时间。根据这些结果，同位素纯化的样品是必要的，以减少光谱扩散的贡献和P浅施主浓度起着根本性的作用，在确定本征相位记忆时间。ESEEM峰已被分配到超精细耦合的硅-29原子核在特定的晶体位置的基础上的光谱拟合程序，包括仪器失真。
2005-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Broadband electrically detected magnetic resonance of phosphorus donors in a silicon field-effect transistor
我们报告电检测到的硅场效应晶体管中的磷施主的磁共振。片上传输线用于产生允许宽带操作的振荡磁场。在毫开尔文温度下，使用磁场和微波频率调制获得了高达40 GHz的连续波谱。光谱揭示了Si：P的超精细分裂电子自旋共振特性和显示二维电子气中自旋-自旋散射指纹的中心特征。
2008-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High cooperativity coupling between a phosphorus donor spin ensemble and a superconducting microwave resonator
研究了同位素纯$^{28}$ Si主晶格中磷施主系综与超导共面波导谐振腔的耦合。该谐振腔的微波透射谱表现出高协同性的简正模分裂特性。所评估的集体耦合强度$g_{\mathrm{eff}}$与自旋系统$γ$的损失率具有相同的数量级，指示强耦合的开始。我们开发了一个统计模型来描述温度对从$50\,\mathrm{mK}$到$3.5\,\mathrm{K}$的耦合强度的影响，并发现耦合强度与热极化自旋数的平方根成比例。
2015-10-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond
掺杂磷（n型）金刚石中色心的受控产生可以促进量子光子器件的电子集成，例如在电注入时操作的单光子源。硅空位（SiV）色心是很有前途的候选者，但迄今为止，在磷掺杂金刚石单光子发射的条件还没有调查。在这项研究中，我们创建SiV色心在金刚石样品中具有不同的磷浓度，并显示由于掺杂，氮杂质和离子注入诱导的缺陷的荧光背景可以显着抑制。在低注量硅离子注入下，在掺磷金刚石中获得了单光子发射体。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Phosphorus Spin Coherence Times in Silicon at Very Low Temperatures
用脉冲电子自旋共振技术在极低温度下测量了同位素纯28硅中磷施主的自旋相干性。孤立自旋T2随磷浓度的变化出乎意料
2010-09-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Bulk carrier lifetime surpassing 600 us in Upgraded Metallurgical-grade Silicon multicrystalline wafers after Phosphorus Diffusion Gettering
通过替代用于常规多晶硅的纯化路线获得升级的多晶硅级（UMG）Si，并且显著降低了对环境的影响。此外，尽管原料中的纯度水平低于多晶硅，但UMG-Si已被证明具有制造高效和低成本太阳能电池的潜力。UMG-Si裸片中记录的低初始体载流子寿命可以通过适当的磷扩散吸除（PDG）工艺提高到mc-Si的水平。在这封信中，优化的PDG工艺的UMG-Si的报道，导致增加的值之间的20和250倍的原始载流子寿命和645 us以上的记录数字。
2021-12-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrically Detected Magnetic Resonance Applied to the Study of Near Surface Electron Donors in Silicon
电检测磁共振（EDMR）应用于毫米尺寸的设备与植入的引线和50微米平方米的差距奠定了散装磷掺杂硅。制备并测量了具有一系列磷浓度和表面类型的器件，以检查在产生EDMR信号中供体和电荷陷阱状态之间的相互作用。
2010-02-22 cond-mat.mtrl-sci
Voltage Control of Exchange Coupling in Phosphorus Doped Silicon
受量子计算机体系结构的应用程序的启发，我们研究了硅中相邻的磷施主电子之间的交换相互作用的变化，由于施加电压偏置到表面控制电极。这些电压偏置在晶体衬底内产生静电场，扰乱施主电子的状态，从而改变它们之间交换相互作用的强度。我们发现，这种控制门可以用来增强，或减少的相互作用的强度，由一个量，这取决于两者的大小和方向的施主分离。
2004-02-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
A comprehensive model of high-concentration phosphorus diffusion in silicon
建立了高浓度磷扩散的综合模型，并对890 ℃、14.25 min的恒定源（磷硅酸盐玻璃）中磷的扩散进行了模拟。这种掺杂工艺广泛用于制造现代太阳能电池。提出的模型结合了硅自介电体在弹性应力场中漂移的思想和杂质原子形成带负电荷团簇的概念。计算的磷浓度分布与实验结果吻合较好。
2019-05-25 cond-mat.mtrl-sci
Black phosphorus van der Waals heterostructures light emitting diodes for mid-infrared silicon photonics
基于III-V/II-VI材料的发光二极管（LED）在中红外（中IR）区域具有令人信服的性能，从而实现了广泛的应用，包括环境监测、国防和医疗诊断。正在继续努力通过在硅光子芯片上异质集成中红外发射器来实现片上传感器。但这种方法的采用受到与异质集成过程相关的高成本和界面张力的限制。在这里，黑磷（BP）为基础的范德华（vdW）异质结构被开发为室温LED。演示的设备可以发射线性偏振光，其光谱覆盖了技术上重要的中红外大气窗口（3-4 μ m）。此外，BP LED具有快速的调制速度和出色的稳定性，其峰值非本征量子效率（QE~0.9%）与III-V/II-VI中红外LED相当。通过利用VDW异质结构的可集成性，我们进一步展示了硅光子波导集成BP LED。报道的混合平台为中红外硅光子学带来了巨大的希望。
2020-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrical Detection of Coherent Nuclear Spin Oscillations in Phosphorus-Doped Silicon Using Pulsed ENDOR
本文报道了在5.0K下，X波段脉冲电子核双共振（ENDOR）在掺磷硅中的电学探测。使用与常规电子自旋共振中的Davies ENDOR类似的脉冲序列来测量$^{31}$ P核自旋的核自旋跃迁频率，其中经由通过Si/SiO $_2$界面态的自旋相关跃迁来电检测$^{31}$ P电子自旋，因此不依赖于电子自旋系统的极化。此外，相干核自旋振荡的电检测示出，证明了电读出可能的核自旋量子比特的自旋状态的可行性。
2010-12-23 cond-mat.mtrl-sci
Electrical detection of free induction decay and Hahn echoes in phosphorus doped silicon
固态环境中的顺磁中心通常会产生不均匀加宽的电子顺磁共振（EPR）谱线，使传统检测到的自由感应衰减（FID）信号在光谱仪死时间内消失。在这里，一个电检测FID的硅外延层与天然同位素组成的磷供体的实验结果，显示在第一个150纳秒的拉姆齐条纹。一个分析模型来解释所获得的数据，以及模拟的两个脉冲回波实验的结果。进一步给出了数值计算的结果，以评估该方法研究自旋-自旋相互作用的能力。
2011-02-08 cond-mat.mtrl-sci
Line Broadening and Decoherence of Electron Spins in Phosphorus-Doped Silicon Due to Environmental 29^Si Nuclear Spins
利用脉冲电子自旋共振技术，在8K下测量了掺磷硅单晶（f = 0.19% ≤ 99.2%）中29^Si同位素的浓度，系统地研究了环境29^Si核自旋对施主电子自旋的影响.作为f的函数的线宽示出了与理论分析的良好协议。我们还报道了施主电子自旋的相位记忆时间T_M依赖于f和相对于外磁场的晶轴。
2005-12-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Radio frequency readout of electrically detected magnetic resonance in phosphorus-doped silicon MOSFETs
我们演示了射频（RF）读出的电检测的磁共振在磷掺杂的硅金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），在液氦温度下工作。利用射频反射计首次观测到了Si：P超精细谱线，这对于高带宽操作和基于施主的半导体器件中自旋共振的时间分辨检测是有希望的。在这里，我们提出了微波（MW）功率和MOSFET偏置条件对EDMR信号的影响。
2011-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Measurements and atomistic theory of electron $g$ factor anisotropy for phosphorus donors in strained silicon
本文报道了应变硅（sSi = Si/Si $_{1-x}$ Ge $_x$）环境中磷施主量子位的电子$g$因子各向异性（$| Δg |$ = $| g_{001} - g_{1 \bar 1 0} |$）的测量。进行了数百万原子紧束缚模拟，以了解作为$x$的函数的$| Δg |$的测量减少，这是由于界面相关的各向异性的减少。对于$x <$ 7\%，$| Δg |$的变化呈线性，可用$η_x x$描述，其中$η_x \approx$ 1.62 $\times$ 10 $^{-3}$。在$x$ = 20%时，测得的$| Δg |$为1.2 $\pm$ 0.04 $\times$ 10 $^{-3}$，与计算值1 $\times 10^{-3}$吻合较好。当应变和电场同时施加时，应变效应被预测对$| Δg |$起主导作用。我们的研究结果提供了有用的见解sSi：P自旋量子比特的自旋特性，更一般的自旋电子学和谷电子学研究领域的设备。
2018-07-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Fast nuclear spin hyperpolarization of phosphorus in silicon
我们实验证明了一种方法，获得核自旋超极化，即极化显着超过预期的热平衡。通过利用改进的Overhauser工艺，我们在硅中获得了超过68%的磷施主核反极化。在1.37 K的温度和8.5 T的磁场下，达到这种极化的时间常数约为150秒。获得这样大的偏振的能力进行了讨论，其意义的量子信息处理和磁共振成像。
2008-06-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Clustering of phosphorus atoms in silicon
为了解释高磷浓度下电子密度饱和的影响，将带负电荷的磷团簇模型与实验数据进行了比较。在920和1000摄氏度的温度下，研究了一些带负电荷的团簇，其中包括点缺陷和磷原子。它被建立为集群将一个以上的磷原子计算的电子密度达到最大值，然后单调和缓慢地随着总掺杂剂浓度的增加而下降。如果团簇包含3-4个磷原子，则计算的载流子浓度依赖性与两个温度下的实验数据吻合得很好，而不管团簇的负电荷状态（-或2-）。此外，对于所有研究的双负电荷团簇的拟合参数是独立的温度。这意味着最有可能形成带双负电荷的簇，但很难在包含两个、三个或四个磷原子的簇之间进行选择。从计算曲线与实验的良好一致性可以看出，基于负电荷团簇形成的模型可以用于高浓度磷扩散的模拟。
2006-07-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Dissolution of donor-vacancy clusters in heavily doped n-type germanium
Ge的n型掺杂是一个自限性过程，这是由于形成了使施主失活的空位-施主络合物（DnV，其中n <= 4）。这项工作明确地表明，在重磷掺杂的Ge外延层中的主要P4V团簇的溶解可以通过毫秒闪光灯退火在约1050 K实现。P4V簇的溶解使载流子浓度增加了三倍以上，同时抑制了磷的扩散。电化学电容-电压测量结合二次离子质谱，正电子湮没寿命谱和理论计算，使我们能够解决和理解的一个基本问题，迄今为止，阻碍了锗与互补金属氧化物半导体技术的全面整合。
2020-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Spin-Polarized Transient Electron Trapping in Phosphorus-doped Silicon
电子自旋进动的实验证据表明，在全电子器件的掺磷硅沟道中的电子自旋进动同时表明了两个不同的过程：（i）由于从注入器到检测器的纯导带传输而导致的短时间尺度（~ 50 ps），以及（ii）由于浅杂质陷阱中的捕获/再发射相关延迟而导致的长时间尺度（~ 1 ns）。这种现象的起源，通过温度，电压和电子密度依赖性测量检查，建立通过比较的数值模型，并示出揭示参与亚稳态激发态的磷杂质光谱。因此，这项工作表明，有可能使宏观自旋输运的研究有关的量子制度的个别自旋相互作用与杂质的设想为量子信息应用。
2011-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
STM study of single phosphorus incorporation into silicon by heating PBr3 on Si(100)
Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院普罗霍洛夫普通物理研究所）；HSE University（高等经济大学）
研究通过STM结合DFT，揭示了PBr3在Si(100)表面解离后，磷原子加热时与硅原子交换形成络合物的单原子掺杂机制，为精确单原子掺杂提供了原子级基础。
2026-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tunneling spectroscopy of phosphorus impurity atom on Ge(111)-(2x1) surface. {Ab initio} study
我们对Ge（111）-（2x 1）表面的P施主杂质原子附近的电子性质进行了数值模拟。我们发现在表面掺杂剂周围的表面$LDOS$在空的表面态能带$π^*$的底部附近显著增加，由于其有限的空间范围和带隙内的能量位置，我们称之为分裂态。结果表明，尽管体施主杂质能级位于导带底部，但Ge（111）-（2 × 1）表面上的表面施主杂质可能产生低于费米能级的能级，这取决于杂质原子的局部环境.在Ge（111）-（2x 1）表面的STM实验中，发现了位于亚表面原子层中的杂质。在STM实验中观察到的杂质像的准一维特征被我们的计算机模拟所证实，并指出杂质原子的存在可能会影响到一些$π$键合的二聚体行。
2013-02-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Comparison of Solar Cell Efficiencies of Black Phosphorus and Silicon at the Nano and Micro Scales from First-Principles Calculations
本文通过第一性原理计算比较硅与黑磷在不同厚度下的太阳能电池效率，发现微米尺度硅占优而纳米尺度黑磷占优，揭示了材料厚度对效率的关键影响。
2024-07-04 cond-mat.mtrl-sci
Hyperfine Clock Transitions of Bismuth Donors in Silicon Detected by Spin Dependent Recombination
利用基于自旋相关复合的磁共振谱研究了离子注入$^{28}$ Si和$^\text{nat}$ Si中的铋施主。超精细时钟跃迁，在该线宽显着变窄，观察铋施主。实验结果定量建模的铋供体和自旋相关的复合读出中心，包括超精细和塞曼相互作用的影响组成的耦合对的分子轨道理论。
2014-04-03 cond-mat.mtrl-sci
First principles band structure of interacting phosphorus and boron/aluminum $δ$-doped layers in silicon
Center for Computing Research, Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室计算研究中心）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本研究通过密度泛函理论计算了磷和硼/铝δ层在硅中的相互作用能带结构，发现近距时掺杂势抵消，远距时类似p-n二极管，且δ层相互作用可能增强隧道效应。
2026-02-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Further investigations of the deep double donor magnesium in silicon
硅中替代硫属元素杂质的深双施主能级具有独特的光学性质，这可能会实现自旋/光子量子技术。硅中的间隙镁杂质（Mg $_i$）也是深双施主，但是还没有像硫属元素那样详细地研究。在这项研究中，我们期待在中性和单电离镁$_i$吸收光谱在天然硅和同位素富集28-硅更详细。1 s（A $_1$）到1 s（T $_2$）跃迁，对于硫属元素来说非常强，并且是所提出的自旋/光子量子技术的核心，不能被检测到。我们观察到另一个双供体（Mg $_{i*}$）的存在，这可能是由于Mg $_i$在一个减少的对称性配置，最有可能是由于与另一种杂质络合。中性物质的镁$_{i*}$揭示不寻常的低躺基态水平检测通过温度依赖性研究。我们还观察到一个浅施主，我们确定为镁硼对。
2018-09-10 cond-mat.mtrl-sci
Conduction band tight-binding description for silicon applied to phosphorous donors
硅的紧束缚参数化，优化，正确地再现有效质量，以及导带极小值的倒易空间位置，提出。建议的参数化的可靠性进行评估，通过使用此参数化和以前报道的Si中的施主杂质的描述之间进行系统的比较。施主波函数的谱分解证明了将全带效应用于可靠表示的重要性，并且不完整的实空间描述来自有效质量理论中提出的截断倒易空间扩展。
2007-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Simulation of phosphorus implantation into silicon with a single-parameter electronic stopping power model
我们模拟掺杂剂的磷注入到硅中使用一个新的电子阻止本领模型。在该模型中，电子阻止本领被分解为全局平均的有效电荷Z1* 和质子的局部电荷密度相关的电子阻止本领。模型中只有一个可调参数，即控制Z1* 的一个电子半径rs0。通过微调这个参数，我们得到了很好的协议之间的模拟掺杂剂分布和SIMS数据在很宽的能量范围内的沟道情况。我们的工作提供了一个进一步的例子，除了硼和砷的注入物种，以验证电子阻止本领模型的有效性，并说明其一般性的物理过程的研究，涉及电子停止。
1999-01-28 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
$T_1$- and $T_2$-spin relaxation time limitations of phosphorous donor electrons near crystalline silicon to silicon dioxide interface defects
含磷施主电子自旋和自旋相关电子跃迁的研究（111）取向的结晶硅（c-Si）附近的（$^{31}$ P）原子与二氧化硅接触在液态$^4$ He温度（$T = 5$ $\mathrm{K} - 15$ $\mathrm{K}$）下，给出了[ $^{31}$ P]= 10 $^{15}$ $\mathrm{cm}^{-3}$和[ $^{31}$ P] = 10 $^{16}$ $\mathrm{cm}^{-3}$的（SiO $_{2}$）界面.使用脉冲电检测磁共振（pEDMR），观察到的\Phos供体状态和两个可区分的界面状态之间的自旋相关的过渡，即（i）\Pb中心，可以通过其特征各向异性和（ii）一个更各向同性的中心，这是由于E $^\prime$缺陷的\sio散装接近的接口。自旋相关复合的动力学的相关测量证实，先前提出的\Phos和界面缺陷之间的过渡发生。这些电子近界面跃迁对\Phos施主自旋相干时间$T_2$以及施主自旋-晶格弛豫时间$T_1$的影响，然后通过比较从常规的体敏脉冲电子顺磁共振和表面敏感的pEDMR，以及表面敏感的电检测反转恢复实验获得的自旋哈恩回波衰减测量。测量结果表明，$T_2$和$T_1$的\Phos施主电子自旋附近的能量较低的界面态在$T\leq 13$ K减少了几个数量级。
2009-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Spin dependent recombination based magnetic resonance spectroscopy of bismuth donor spins in silicon at low magnetic fields
通过监测硅中铋施主的自旋相关复合引起的光电导变化，观察到了低场（6-110 mT）磁共振。在不同的共振频率下的光谱显示信号强度分布与在常规的电子顺磁共振中观察到的信号强度分布显著不同，这归因于一对Bi供体和顺磁复合中心的40种可能的自旋态组合的不同复合率。Bi激发能具有良好的可调谐性，可用于未来与超导磁通量子比特的低场耦合。
2012-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio calculation of valley splitting in monolayer δ-doped phosphorus in silicon
由于谷分裂的电子带之间的能量的差异是至关重要的，在解释传输光谱实验的国家的最先进的量子器件定义的扫描隧道显微镜光刻。我们开发了一个平面波密度泛函理论描述这些系统，这是由于计算易处理的大小有限。然后，我们通过局部基函数开发了一个资源密集度较低的替代方案，保留了平面波描述的物理特性，并将该模型扩展到平面波方法的能力之外，以确定孤立δ层的从头计算谷分裂。在获得平面波和离域方法之间的协议，我们表明，谷分裂被高估在以前的从头计算超过50%。
2012-01-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Device fabrication and transport measurements of FinFETs built with $^{28}$Si SOI wafers towards donor qubits in silicon
我们报告使用同位素纯化的绝缘体上硅-28（28-SOI）衬底的FinFET几何结构中的晶体管的制造。天然硅中的施主电子自旋相干性由于残留的$^{29}$ Si核自旋浴而受到光谱扩散的限制，使得同位素富集的核无自旋$^{28}$ Si衬底成为用于形成自旋量子位器件的有希望的候选者。FinFET架构与基于供体的量子位的单离子注入检测以及通过自旋共振的电检测的供体自旋状态读出完全兼容。我们描述了设备的处理步骤，并讨论了在0.3 K的电输运测量结果。
2009-06-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Room temperature donor incorporation for quantum devices: arsine on germanium
锗已成为自旋电子学和量子信息应用中非常有前途的材料，与硅相比具有显著的基本优势。然而，使用施主原子作为量子比特来创建原子级器件的努力主要集中在硅中的磷上。以原子级精度在硅中定位磷需要热结合退火，但该步骤的低成功率已被证明是阻止按比例放大到大规模器件的基本限制。在这里，我们提出了一个全面的研究砷（AsH $_3$）的锗（001）表面。我们表明，与任何以前研究的硅或锗掺杂剂前体，砷原子完全纳入替代表面晶格在室温下的网站。我们的研究结果为下一代原子级施主器件铺平了道路，该器件将锗的优越电子特性与砷化氢/锗化学的增强特性相结合，有望扩大到大量确定性放置的量子位。
2022-03-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
ESR measurements of phosphorus dimers in isotopically enriched 28Si silicon
硅中的掺杂剂已经使用光学和电子自旋共振（ESR）光谱学研究了几十年。最近，在同位素富集的28 Si中的掺杂剂的光谱中已经观察到新的特征，因为在这种材料中减少的不均匀线宽提高了光谱分辨率。考虑到这一点，我们测量ESR交换耦合磷二聚体在28 Si和报告两个结果。首先，一个新的精细结构中观察到的ESR谱所产生的状态混合的超精细耦合到31 P核，这是增强时的交换能量是可比的塞曼能量。这种精细结构使我们能够在光谱上解决两个单独的二聚体子系综，第一个与交换（J）耦合范围从2到7 GHz，第二个与J范围从6到60 GHz。接下来，使用0.35T下的脉冲ESR测量两种二聚体子系综的平均自旋弛豫时间T1和T2。T1和T2的二聚体的三重态之间的过渡被发现是相同的孤立的磷施主在28 Si的弛豫时间，与T2 = 4 ms在1.7 K的光谱扩散限制由于偶极相互作用与相邻的施主电子自旋。这一结果与理论预测一致，表明2 - 60 GHz的交换耦合在10 ms的时间尺度下不会限制体硅中的二聚体T1和T2。
2015-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quadrupolar Effects on Nuclear Spins of Neutral Arsenic Donors in Silicon
我们提出了电检测电子核双共振测量的核自旋的电离和中性砷施主在应变硅。除了减少的超精细耦合，我们发现显着的四极相互作用的中性捐助者的顺序为10 kHz的核自旋。通过比较这些四极位移，由于测量的电离的捐助者的晶体场，我们确定的电场梯度在原子核上的额外的电子的效果。该额外分量预期是由与由于应变下电子波函数的变化而产生的电场梯度的耦合引起的。
2016-03-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Stark Tuning of Donor Electron Spins in Silicon
本文报道了用脉冲电子自旋共振法测量硅中121Sb施主电子自旋的斯塔克位移。在Sb注入的28 Si外延层的顶部上的叉指金属栅极用于施加电场。解决了两个斯塔克效应：电子和核自旋之间的超精细耦合的施主和电子塞曼g因子的减少。超精细项在0.35 T的X波段磁场下占主导地位，而g因子项预计在更高的磁场下占主导地位。一个显着的线性斯塔克效应也解决了可能产生的应变。
2006-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Stark tuning of the charge states of a two-donor molecule in silicon
采用紧束缚方法研究了硅中磷施主电荷量子比特的栅极控制。P2+的激发分子状态被发现施加限制上允许的供体分离和操作栅极电压。分析了表面（S）栅和势垒（B）栅在不同电压下对整个器件量子受限态的影响。研究了界面电离、隧道耦合饱和、施主敏感性和栅位置对器件性能的影响。据发现，现实的栅极控制是平滑的任何施主分离，虽然在某些施主取向的S和B门可能会得到切换功能。本文概述和分析了各种问题，在实际控制中的重要性，这样的供体分子系统。
2009-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Multiple-quantum transitions and charge-induced decoherence of donor nuclear spins in silicon
我们研究单和多量子跃迁的核自旋的电离砷捐助者在硅和四极效应的相干时间，我们链接到波动的电场梯度后，应用光和偏置电压脉冲。为了确定在4维希尔伯特空间中的所有订单的叠加的相干时间，我们使用相位循环技术，并发现，当电效应被允许衰减，这些时间的规模如预期的类场退相干机制，如与周围的$^{29}$硅核自旋的相互作用。
2016-10-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Excited states of a phosphorus pair in silicon: Effects of valley-orbital interaction and electron-electron interactions
半导体中杂质复合物的激发不仅可以为填补光学技术中的太赫兹空白提供一条途径，而且还可以连接本地量子比特以扩大固态量子计算设备。然而，同时考虑电子/空穴之间的相互作用和主体能带结构是具有挑战性的。在这里，我们结合第一性原理能带结构计算与量子化学方法来评估的基础和激发态的一对磷施主在硅的单一框架内。我们采用对称性破缺的Hartree-Fock方法，然后用含时的Hartree-Fock方法计算激发态。我们的哈密顿量为每个谷包括一个各向异性的动能项，分裂的2 p_0和2 p_+-跃迁的孤立施主约4 meV，在很好的协议与实验。我们的单谷计算表明，光学响应是一个强大的功能的光学偏振，并建议使用谷偏振控制光学和减少振荡交换相互作用。当考虑到所有的谷，包括谷轨道相互作用，我们发现1 s到2 p的过渡和低能量的电荷转移状态之间的间隙打开1 s流形（这成为光学允许，因为施主间的相互作用）。与单谷的情况相比，我们发现电荷转移激发态也在三重态扇区，由于谷自由度。这些状态有一个定性正确的能量与以前的实验相比，此外，我们预测新的激发低于20毫电子伏，以前没有分析过。在不同的间距最近邻对的统计平均值表明，太赫兹辐射可以用来激发对自旋选择性。我们的方法可以很容易地扩展到其他捐助者和其他半导体主机。
2020-09-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Silicon-based spin quantum computation and the shallow donor exchange gate
提出的硅基量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们的可扩展性和协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。硅中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是这种提议中量子位的理想候选者，其中浅施主交换门经常被调用以执行双量子位操作。在这种情况下，一个重要的潜在问题是，谷间干扰起源于Si导带边缘的简并导致施主交换耦合的快速振荡，这对Si量子计算机架构施加了显着的约束。我们讨论了这种振荡的理论起源。考虑到两个替代施主在Si中，我们提出了一个系统的统计研究的相对位置分布和由此产生的交换分布之间的相关性。
2004-07-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin-Dependent Scattering off Neutral Antimony Donors in 28-Si Field-Effect Transistors
我们报告测量自旋相关的散射传导电子的中性施主在积累模式场效应晶体管中同位素富集硅形成。自旋相关的散射检测使用电检测的磁共振，其中的光谱显示的源极-漏极电压的传导电子和电子绑定到施主的共振变化。我们讨论了利用自旋相关散射作为一种机制读出施主自旋态的硅基量子计算机。
2007-11-06 cond-mat.mtrl-sci
Orbital Stark effect and quantum confinement transition of donors in silicon
半导体中单个杂质束缚电子到门诱导表面态的绝热穿梭最近引起了很多关注，主要是在固态量子计算机架构的背景下。最近的一项输运光谱实验首次能够探测埋在栅极附近的硅中单个施主的斯塔克位移光谱。在这里，我们提出了完整的理论模型，涉及大规模的量子力学模拟，用于计算斯塔克移动施主态，以解释实验数据。在超过一百万个原子的域上使用原子紧束缚技术不仅有助于纳入主体的完整能带结构，而且还可以处理现实的器件几何形状和施主模型，并使用足够大的基组来捕获任何数量的施主态。该方法定量描述了当外加电场梯度增加时，施主电子从三维库仑束缚态到二维表面态的对称性跃迁。在中间场区，电子处于原子施主势态和表面的类量子点态的叠加态。除了确定电场和施主深度对电子结构的影响外，该模型还提供了根据其斯塔克签名区分磷和砷施主的基础。该方法还捕获了施主阱和界面阱中的谷轨道分裂，这是硅量子位的关键量。这项工作的结论是一个详细的分析的影响，筛选上的捐助者的频谱。
2009-04-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin-dependent recombination at arsenic donors in ion-implanted silicon
自旋相关的输运过程中产生的低能量离子注入砷在硅中的薄的近表面掺杂区检测两种方法，自旋相关的复合（SDR）使用微波光电导和电检测磁共振（EDMR）监测通过样品的直流电流。这些技术的高灵敏度允许在弱磁场和低共振频率（40-1200 MHz）下观察磁共振，特别是As的磁共振，其中由于电子和核自旋状态的混合，可以观察到磁子状态之间的高场禁止跃迁。在所研究的样品中存在几种重结晶引起的缺陷，并作为自旋读出伙伴。我们明确地证明了这一点，通过电检测电子双共振实验，并确定了一对重组的紧密对所形成的作为施主和氧空位中心的激发三重态（SL 1）作为占主导地位的自旋依赖的过程中注入直拉硅。
2014-07-21 cond-mat.mtrl-sci
Effects of J-gate potential and interfaces on donor exchange coupling in the Kane quantum computer architecture
我们计算了硅中磷施主对受J栅势和硅宿主几何形状的边界效应扰动时的电子交换耦合。除了电子-电子交换相互作用，我们还计算了供体核和电子之间的接触超精细相互作用作为不同实验条件的函数。施主分离、氧化硅层下P核的深度和J栅电压成为决定交换耦合和超精细相互作用强度的决定性因素-这两个因素都是凯恩量子计算机中量子位操作的关键组成部分。这些计算使用各向异性有效质量哈密顿方法进行。作为设备参数变化的函数的供体交换耦合的行为为这些设备的实验设计提供了相关信息。
2004-02-06 cond-mat.mtrl-sci
Silicon-based spin and charge quantum computation
基于硅的量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们具有可扩展性的承诺以及协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。由于相对较长的自旋相干时间，Si中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是量子比特的理想候选者。对于这些自旋量子位，外部门的施主电子电荷操纵是控制和读出单量子位操作的关键因素，而浅施主交换门经常被调用来执行双量子位操作。最近，还提出了基于Si中的P $_2^+$替代分子离子中的隧道耦合的电荷量子比特。考虑到硅电子结构的特殊性，特别是导带边缘的六个简并态，我们讨论了硅中浅施主量子计算所涉及的构建块的可行性。我们发现，这些状态之间的量子干涉不显着影响涉及一个单一的捐助者的操作，但导致快速振荡的电子交换耦合和隧道耦合强度时，捐助者对相对位置的晶格参数尺度上改变。这些研究说明了相当大的潜力，以及巨大的挑战所提出的施主自旋和电荷作为量子位在硅中的候选人。
2005-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High-field Overhauser DNP in silicon below the metal-insulator transition
单晶硅是探索动态核极化（DNP）的优秀系统，因为它表现出作为掺杂浓度和温度的函数的从金属到绝缘的连续性质。在低掺杂浓度下，已经观察到DNP通过固体效应发生，而在非常高的掺杂浓度下，奥弗豪泽机制负责。在这里，我们报告了n型掺杂硅晶体中29 Si的超极化，掺杂浓度范围为1-3 x 10^17 /cc。在这种制度下，捐助者之间的交流互动变得极其重要。在我们的实验中的增强的迹象和它的频率依赖性表明，29 Si的自旋直接极化的施主电子通过交换耦合施主集群内的Overhauser机制。供体之间的交换相互作用仅需要大于硅超精细相互作用（通常比供体超精细耦合小得多）以实现该奥弗豪瑟机制。核极化增强观察到的范围内的捐助者集群中的交换能量是可比的捐助者超精细相互作用。的DNP动力学的特征在于由一个单一的指数时间常数，取决于微波功率，表明Overhauser机制是限速步骤。由于只有大约2%的硅核位于施主电子的一个玻尔半径内，核自旋扩散在将极化转移到所有自旋中是重要的。然而，由于相对较弱的硅超精细耦合强度，自旋扩散时间比奥弗豪瑟时间短得多。在2.35 T磁场和1.1 K下，我们观察到微波辐射两小时后$244 +/- 84 resulting in a silicon polarization of $ 10.4 +/-3.4%的DNP增强.
2011-09-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Host isotope mass effects on the hyperfine interaction of group-V donors in silicon
通过对同位素工程Si单晶的脉冲电子核双共振（ENDOR）谱研究，揭示了硅中V族施主的超精细相互作用受宿主同位素质量的影响.每个超精细分裂的P-31，As-75，Sb-121，Sb-123和Bi-209 ENDOR线进一步分裂成多个分量，其相对强度精确地匹配由于三种稳定同位素Si-28，Si-29和Si-30的随机占据而导致的四个最近邻位点中九种可能的平均Si质量的统计似然性。用P-31供体的进一步研究表明，分辨的ENDOR分量随体平均Si质量线性偏移。
2014-07-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Shallow donor wavefunctions and donor-pair exchange in silicon: Ab initio theory and floating-phase Heitler-London approach
硅中浅施主的电子和核自旋是量子计算机中量子比特的有吸引力的候选者。浅施主交换门经常被调用来执行这种提议中的两个量子比特操作。本文采用密度泛函和赝势框架下的{ \it ab initio}计算方法，结合Si导带六个带边的全Bloch态，采用Kohn-Luttinger包络函数方法研究了Si中浅施主电子的性质.硅的导带边态之间的谷间干涉导致单电子束缚态电荷分布和双电子态交换耦合的振荡行为。施体电子电荷分布的行为受到来自Bloch函数的平面波和周期部分的干扰的强烈影响。对于两个捐助者，在海特勒-伦敦（HL）的方法内计算的交换耦合的振荡是由于单独的布洛赫函数的平面波部分，这是钉扎到杂质网站。该结果的鲁棒性通过放松对供体位点的相位钉扎来评估。我们介绍了一个更一般的理论方案，浮动相HL，从以前报道的施主交换振荡行为定性和定量证实。浮相形式主义提供了一个“假设”，即如何在理论上预测与更一般的限制势（如量子点）中的电子束缚态相关的电子特性中振荡行为的发生。
2004-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electrically-detected magnetic resonance in ion-implanted Si:P nanostructures
我们提出的结果，电检测的磁共振（EDMR）实验与离子注入磷纳米结构的硅，在5 K。该器械由高剂量植入的金属导线组成，导线有一个方形间隙，其中以相当于10^17 cm^-3的非金属剂量植入磷。通过将该二次注入限制在100 nm x 100 nm区域，检测到来自少于100个供体的EDMR信号。这种技术为研究半导体中的单施主自旋提供了一条途径，这与量子信息处理的许多建议有关。
2006-05-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Engineering Silicon Nanocrystals: Theoretical study of the effect of Codoping with Boron and Phosphorus
我们表明，通过杂质掺杂可以有效地调节纳米晶硅的光学和电子性质。特别是，我们给出的证据，通过从头计算，通过适当地控制掺杂与一个或两个原子物种，一个显着的修改的吸收和发射的光可以实现。我们已经考虑了杂质，无论是硼或磷（掺杂）或两者（共掺杂），位于不同的硅纳米晶体的尺寸范围从1.1 nm到1.8 nm的直径的替代网站。我们发现，当两种杂质占据表面附近的最近邻位置时，共掺杂纳米晶体具有最低的杂质形成能。此外，这样的系统目前的带边状态本地化的杂质引起的红移的吸收阈值相对于未掺杂的纳米晶体。我们详细的理论分析表明，由于光吸收产生的电子-空穴对决定了几何畸变，进而导致吸收和发射光谱之间的斯托克斯位移。为了更深入地了解这种效应，在一种情况下，我们计算了吸收和发射光谱，超出了单粒子方法，显示了多体效应所起的重要作用。我们在这项工作中收集的整套结果强烈表明，通过掺杂可以调节硅纳米晶体的光学性质。
2007-07-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Strain effects on silicon donor exchange: Quantum computer architecture considerations
提出的基于硅的量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们具有可扩展性的承诺以及协同利用与强大的Si技术的现有基础设施相关的可用资源的潜力。对供体（例如磷）交换的定量理解和精确的物理控制是所提出的基于Si的量子计算机硬件的物理基础中的关键要素。在这种情况下，一个重要的潜在问题是，谷间干扰起源于Si导带边缘的简并导致施主交换耦合的快速振荡，这对Si量子计算机架构施加了重大约束。在本文中，我们考虑的影响，外部应变Si施主交换的背景下，量子计算机硬件。我们研究单轴应变Si中的施主电子交换，因为应变部分地提升了体中的谷简并度。特别是，我们专注于交换耦合的晶格位置之间的施主位移的影响，调查是否谷间干扰造成的问题，在应变硅施主交换耦合少。我们表明，使用Kohn-Luttinger包络函数的方法，交换耦合的快速振荡确实消失的捐助者对，满足一定的条件，他们的相对位置，而在其他情况下，捐助者交换耦合仍然振荡，与周期接近原子间的间距。我们还评论了可控的外部应变在硅量子计算机架构的设计和制造中可能发挥的作用。
2001-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Excited states of defect lines in silicon: A first-principles study based on hydrogen cluster analogues
体硅中单个施主的激发态已经基于有效质量理论得到了广泛的研究。然而，一个合适的理论描述的激发态的施主集团仍然是稀缺的。在这里，我们研究了单谷球带近似内的缺陷线的激发，从而将问题映射到一个缩放的氢原子阵列。一系列详细的全组态相互作用和时间依赖的混合密度泛函理论计算已经进行了了解线性集群多达10个捐助者。我们的研究说明了它们的激发态的一般特征，解决了施主间离子态和施主内原子激发态之间的竞争。在短的施主间距离下，施主分子的激发态占主导地位，在中等距离下离子态起重要作用，并且在长距离下施主内激发如预期的那样占主导地位。这里提出的计算强调施主电子之间的相关性的重要性，因此是补充最近的其他方法，包括有效质量各向异性和多谷效应。还估计了一个施主对和一个三施主阵列的相关激发态之间的交换分裂;在施主间距为10和20 nm之间的范围内，分裂远大于基态中的分裂。这为利用激发态交换相互作用实现硅中可控量子门操作奠定了坚实的理论基础。
2017-10-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Electron spin coherence and electron nuclear double resonance of Bi donors in natural Si
硅中的施主对于新兴的量子技术具有相当大的希望，因为它们具有独特的长电子自旋相干时间。硅中的Bi施主在几个重要方面不同于P和其他V族施主：它们具有最强的结合能（70.98 meV）、大的核自旋（I = 9/2）和强的超精细耦合常数（A = 1475.4 MHz）。这些更大的能量尺度允许详细测试的理论模型描述的光谱扩散机制，是已知的管理电子自旋相干时间（T2 e）的P-施主在天然硅。我们报告的电子核双共振光谱的Bi供体，在200 MHz至1.4 GHz的范围内，并确认在这些较高的频率，电子和核自旋自由度之间的相干转移是可能的。
2010-09-01 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Inductive measurement of optically hyperpolarized phosphorous donor nuclei in an isotopically-enriched silicon-28 crystal
我们在实验上证明了在同位素富集的硅-28晶体中的光学超极化磷-31供体核自旋的感应读出。晶体中磷供体的浓度为1.5 × 10 $^{15}$ cm $^{-3}$，比先前通过直接感应检测检测到的低三个数量级。在来自1 cm $^3$样品（$\approx 10^{15}$自旋）的单个自由感应衰减中测量的信噪比为113。通过将样品转移到X波段ESR谱仪，我们能够获得在1.7 K的64%的核自旋极化的下限。在1.7 K下，用Hahn回波序列测量的$^{31}$ P-T $_{2}$为420 ms，用Carr Purcell循环将其延长至1.2 s。$^{31}$ P核自旋在1.7 K时的T $_1$非常长，无法确定，因为即使在4.5小时的时间尺度上也没有观察到衰变。用1047 nm激光器进行光激发，其提供硅的带隙以上激发。在4.2 K下的超极化的建立遵循单指数的特征时间为577 s，而在1.7 K下的建立表现出双指数行为的特征时间常数为578 s和5670 s。
2014-12-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
