Há uma necessidade urgente de aumentar a capacidade global de armazenamento de dados, uma vez que as abordagens atuais ficam aquém do crescimento exponencial da geração de dados impulsionada pela Internet, pelas redes sociais e pelas tecnologias de nuvem. Além de aumentar a densidade de armazenamento, as novas soluções deverão fornecer arquivamento de dados de longo prazo que vai muito além da tradicional memória magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido. Aqui, é proposto um conceito de arquivamento de dados de alta densidade, ultralongo e com eficiência energética, baseado em defeitos de tamanho atômico opticamente ativos em um material resistente à radiação, o carboneto de silício (SiC). A informação é escrita nesses defeitos por feixes de íons focados e lida usando fotoluminescência ou catodoluminescência. A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações sob condições ambientais. Com excitação de laser infravermelho próximo, codificação em escala de cinza e armazenamento de dados multicamadas, a densidade de área corresponde à dos discos Blu-ray. Além disso, é demonstrado que a limitação da densidade de área dos meios ópticos convencionais de armazenamento de dados devido à difração da luz pode ser superada pela excitação por feixe de elétrons focalizado.
1 Introdução
Em 2012, a quantidade de dados digitais no mundo ultrapassou um Zettabyte (ZB ou 10 21 bytes), indicando o início da Era Zettabyte. Os dados gerados globalmente estão aumentando continuamente e espera-se que sejam superiores a 100 ZB/ano até 2025. O consumo de energia dos data centers equivale a cerca de 1% da produção global de eletricidade; este número poderá aumentar para 3–13% até 2030. O tempo de armazenamento limitado exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Isto aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida durante essa migração de dados. A demanda por redução do consumo de energia, prolongamento do tempo de armazenamento e aumento da capacidade de big data levou a uma melhoria contínua das tecnologias atuais, como mídia magnética, discos ópticos e unidades de estado sólido.
A memória magnética é a principal escolha para arquivamento de dados devido à sua grande capacidade de armazenamento. Um protótipo de fita magnética desenvolvido recentemente mostra um desempenho de gravação com uma densidade de armazenamento de área de 317,3 Gbit/in 2 . O aumento da densidade de armazenamento requer a diminuição do tamanho da partícula magnética. Neste caso, as flutuações térmicas e os processos de difusão tornam-se significativos, resultando numa diminuição do tempo de armazenamento. Isto pode ser superado usando materiais com maior coercividade, o que por sua vez leva a uma maior energia necessária para armazenar um bit magnético. Por outro lado, os discos ópticos podem fornecer um tempo de armazenamento aparentemente ilimitado. No entanto, o limite de difração restringe o menor bit de gravação à metade do comprimento de onda da luz, o que por sua vez limita a capacidade máxima de armazenamento. Usando gravação óptica multidimensional (isto é, múltiplas camadas dentro do meio, domínio espectral, codificação em escala de cinza, etc.), a capacidade de armazenamento por volume pode ser aumentada drasticamente. Nos conceitos demonstrados, o registro óptico multidimensional é baseado na modificação do material utilizando pulsos de laser ultracurtos. A energia necessária para escrever um único bit nessas abordagens está acima de 100 nJ/bit. Este valor é muitas ordens de magnitude maior do que para unidades de disco magnético e unidades de estado sólido, que está na faixa de 1 pJ/bit e 100 fJ/bit, respectivamente. Esses valores podem ser melhorados ainda mais reduzindo a carga de calor. Por outro lado, o armazenamento óptico de dados não precisa ser atualizado e, portanto, não consome energia no estado ocioso. No caso de arquivamento de dados a longo prazo, existe um compromisso entre a energia necessária para escrever um único bit e o tempo de vida do armazenamento.
Outras abordagens para armazenamento de dados de ultra-alta densidade estão em desenvolvimento. Particularmente, o armazenamento digital de dados DNA fornece a maior densidade de armazenamento por volume. Em uma abordagem alternativa, as memórias de tamanho atômico têm a maior densidade de armazenamento de área. No entanto, os horários para escrever e ler nestes dois casos são atualmente impraticáveis. Particularmente, a velocidade de gravação está entre 0,8 e 0,07 bit/s no caso de memória de tamanho atômico. Os centros de cores no estado sólido constituem um tipo alternativo de armazenamento em escala atômica. De facto, foi demonstrado o armazenamento de dados utilizando os centros de vacância de azoto (NV) no diamante. A codificação de bits é realizada usando controle de estado de carga com luz laser e a leitura é realizada via fotoluminescência (PL). No entanto, os padrões de bits são armazenados nos centros NV por apenas mais de uma semana no escuro, o que não é suficiente para uso prático.
Aqui, propomos um conceito de armazenamento de dados WORM (write once read many) de longo prazo baseado em carboneto de silício (SiC), conforme mostrado esquematicamente na Figura . O SiC hospeda centros de cores em escala atômica, especialmente a vacância de silício (VSi ) , ou seja, a ausência de átomo de silício no sítio da rede. Possui uma ampla banda PL à temperatura ambiente na faixa espectral do infravermelho próximo (NIR). Os defeitos V Si são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica é superado pelos esquemas de codificação 4D. Nestes esquemas, as três dimensões espaciais e a quarta dimensão de intensidade adicional (codificação em escala de cinza) são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos V Si através da energia iônica e da fluência, respectivamente. Um microscópio confocal de varredura PL é usado para ler opticamente os dados armazenados. Alternativamente, o uso de catodoluminescência (CL) em vez de PL pode melhorar drasticamente a densidade de armazenamento de área.
2 Resultados e Discussão
Para nossos estudos, utilizamos wafers comerciais de 4H-SiC. Para criar vagas atômicas, realizamos irradiação de prótons com fluência de 1 × 10 15 cm −2 . Em seguida, medimos PL de V Si na faixa espectral de 800 a 1000 nm sob excitação ideal a 785 nm. Os espectros de PL à temperatura ambiente na amostra cultivada e medidos após a irradiação são mostrados na Figura , indicando uma ativação clara de defeitos V Si opticamente ativos sem qualquer tratamento pós-irradiação. Além disso, realizamos experimentos de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) em áreas implantadas ( Informações de Apoio ). A observação do pico ODMR a 70 MHz é uma indicação clara dos defeitos V Si no 4H-SiC.
2.1 Tempo de armazenamento
Está bem estabelecido que a temperatura ideal de recozimento para curar a rede dos danos da irradiação e simultaneamente preservar o V Si está na faixa de 500 – 600°C. Em temperaturas de recozimento mais altas, os defeitos V Si são rapidamente removidos. Investigamos agora em detalhes a dependência da intensidade PL integrada no tempo de duração do recozimento t para diferentes temperaturas de recozimento T .
Para curar o cristal dos danos da irradiação, partimos de baixas temperaturas de recozimento em etapas de 100°C e duração de 90 min em cada etapa. Todos os experimentos de recozimento são realizados em atmosfera Ar. O recozimento leva a um aumento inicial da intensidade do PL em aproximadamente 52%. Quando observamos que o PL começa a cair a 640°C, paramos para aumentar a temperatura e realizamos várias séries de experimentos de recozimento em temperaturas mais baixas, variando o tempo de recozimento. No início de cada série de temperaturas, os valores de temperatura adequados e os tempos de recozimento associados são determinados pelo teste. Na etapa final, realizamos o recozimento a uma temperatura mais elevada de 900°C até o completo desaparecimento do PL e confirmação do decaimento mono-exponencial. Para aumentar a precisão e garantir a repetibilidade da alteração relativa do PL, todas as medições de recozimento são realizadas na mesma amostra e na mesma área. O histórico completo de recozimento da amostra é apresentado nas Informações de Apoio.
A tendência geral é que quanto menor a temperatura de recozimento, maior será o tempo de recozimento necessário para observar quaisquer alterações de PL . Notavelmente, mesmo a T = 400°C, uma diminuição muito pequena, mas diferente de zero, na intensidade de PL é detectável durante um longo tempo de recozimento de 6 h. A temperatura mais alta T = 900°C é escolhida como a última das quatro séries de recozimento, de modo que são necessários tempos de recozimento curtos na faixa de minutos para observar decaimento PL significativo. Finalmente, os experimentos desta série são realizados até que nenhum defeito V Si opticamente ativo seja mais observado. O recozimento a 900°C mostra um decaimento exponencial completo, que pode ser ajustado para exp (− t /τ), como mostrado pela linha sólida na Figura. Para temperaturas de recozimento mais baixas, a variação do PL é pequena e o ajuste é dado pelo primeiro termo do expoente da expansão de Taylor 1 − t /τ.
aqui, k B é a constante de Boltzmann. O gráfico de Arrhenius de 1/τ em função da temperatura é apresentado na Figura. A partir do ajuste à Equação, obtemos E a = 860 ± 10 meV. Para efeito de comparação, a energia térmica à temperatura ambiente é de 26 meV. Com o fator de frequência A = 1,6 ± 0,1 Hz, extrapolamos o tempo de decaimento do PL para τ = 1,1 × 10 7 anos à temperatura ambiente T = 22°C e τ = 0,9 × 10 4 anos no ponto de ebulição da água sob pressão padrão T = 100ºC. A extrapolação durante um período tão longo resulta em um erro muito grande. Mas obviamente, o meio de informação baseado nos defeitos V Si no SiC pode preservar a informação ao longo de algumas gerações, ou seja, no mínimo algumas centenas de anos.
2.2 Armazenamento de dados com codificação em escala de cinza
A seguir, registramos o texto “E pur si muove – Embora ele se mova” de Galileo Galilei em defeitos V Si opticamente ativos . Para realizar a gravação digital, convertemos este texto para a representação hexadecimal do código ASCII, conforme descrito nas Informações de Apoio. Criamos defeitos V Si usando um microfeixe de prótons focado em um ponto redondo de aproximadamente 1 µm de diâmetro. Um esquema de codificação de dois bits é usado para cada pixel de implantação. Implantamos 4 × 10 6 prótons para escrever 01 e, correspondentemente, dobramos e triplicamos esse valor para escrever 10 e 11. A ausência de implantação corresponde a 00. Nenhum recozimento pós-implantação é realizado e os dados podem ser lidos imediatamente após a gravação .
Para recuperar o fluxo digital gravado, usamos um microscópio confocal de varredura caseiro, conforme apresentado na Figura . Os defeitos V Si são excitados com um laser de 785 nm e o PL integrado é medido com um detector de fóton único de silício após filtragem com um filtro passa-longo de 800 nm. A Figura mostra o V Si PL ao longo de uma das trilhas de dados, onde as diferentes taxas de contagem para os quatro estados lógicos 00, 01, 10 e 11 são claramente vistas. A Figura mostra as estatísticas da taxa de contagem de PL para todos os pixels. Observamos que a largura total na metade do máximo (FWHM) de 1,6 µm é dada pela convolução do tamanho real do pixel e do tamanho do ponto do laser, sendo ambos de cerca de 1 µm. Notamos também que embora o tamanho do pixel possa ser significativamente reduzido, a resolução espacial do padrão óptico não pode ser significativamente melhorada devido ao limite de difração dado pelo comprimento de onda do laser. Podem ser vistos quatro máximos que identificamos com os quatro estados lógicos. Por fim restauramos o texto “E pur si i uove – Albe Y t it does move”. Dos 294 bits registrados, detectamos apenas dois erros de bits, levando a dois caracteres errados (destacados em negrito). Esses erros são devidos a alguma variação na intensidade do PL e podem ser corrigidos usando bits redundantes como referência para taxas de contagem.
Para aumentar a capacidade de armazenamento, demonstramos a codificação multicamadas conforme apresentado esquematicamente na Figura . Usamos wafers comerciais de SiC e registramos mapas da Terra em diferentes épocas geológicas. Primeiro, esses mapas são convertidos em imagens em tons de cinza de oito bits (Supporting Information) com distância entre pixels de 80 nm. Os íons He com uma energia de 25 keV são focados em um tamanho de ponto de aproximadamente 1 nm na superfície da amostra em um microscópio de íons de hélio (HIM). Para encontrar as condições ideais de gravação, realizamos uma série de experimentos com diferentes fluências de implantação, conforme descrito nas Informações de Apoio. Descobrimos que a intensidade de V Si PL aumenta quase linearmente até uma fluência de Φ max = 1 × 10 13 cm −2 . Ele satura em 5 × 10 13 cm −2 e depois cai devido ao dano induzido por íons na estrutura cristalina do SiC. A escala de cinza para escrita de feixe de íons focado é escolhida de forma que o estado lógico máximo de 8 bits seja codificado com Φ max σ HIM . Aqui, σ HIM é a área determinada pelo desvio lateral obtido na simulação SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Outros estados de bits diminuem linearmente com a fluência de implantação.
Depois de escrever mapas individuais da Terra em wafers de SiC separados, eles são empilhados juntos (Figura 3a ). Em seguida, usamos uma configuração confocal para recuperar os mapas armazenados. Varreduras detalhadas através de diferentes pontos são mostradas na Figura 3b . O espaçador transparente nessas varreduras é dado pela espessura do wafer de 250 µm. Considerando a resolução de profundidade de 60 µm juntamente com a distância de trabalho da objetiva de 700 µm, concluímos que até dez camadas podem ser recuperadas sem interferência. Isso se deve ao fraco coeficiente de absorção de SiC nos comprimentos de onda de excitação e V Si PL, que são maiores que 380 nm, correspondendo ao bandgap 4H-SiC. Os mapas recuperados de duas camadas separadas por um espaçador são apresentados nas Figuras 3c e d . Aqui, usamos codificação de 3 bits para reconstruir os mapas. Como a separação de pixels no desenho do projeto é muito menor do que a resolução espacial óptica e a codificação de escrita é mais precisa do que a codificação de leitura, muitos detalhes são calculados em média (Informações de Suporte). Por esta razão, não podemos estimar a precisão da leitura da Figura 3 .
Agora estimamos o limite de densidade de armazenamento da nossa gravação 4D. A resolução óptica lateral é dada pelo critério de Rayleigh 1,22λ/NA, onde λ = 785 nm é o comprimento de onda de excitação e NA = 0,81 é a abertura numérica da objetiva. Consideramos então dez camadas e codificação em escala de cinza de três bits para a terceira e quarta dimensões, respectivamente. Finalmente, obtemos uma densidade de armazenamento de 75 Gbit/in2 para dez camadas.
2.3 Leitura de Catodoluminescência
O limite de difração do tamanho mínimo do ponto sob excitação óptica é muito maior que a área implantada no HIM. A Figura 4a mostra uma simulação SRIM da distribuição lateral e profunda dos defeitos V Si criados por íons He com energia de 25 keV. A profundidade de penetração dos íons He com esta energia é de cerca de 250 nm. Devido ao espalhamento lateral de íons dentro da camada de SiC, a área implantada tem cerca de σ HIM ≈200 nm de diâmetro. Para aumentar a resolução espacial, propomos usar CL em vez de PL. A Figura 4b mostra o desgarrado de elétrons com energia de 5 keV em SiC, simulado com o software CASINO (monte CARlo SIMulation of electroN path in sOlids). O desvio lateral é de cerca de σ CL ≈ 300 nm. Embora os elétrons com essa energia penetrem no SiC ao longo de vários µm, a simulação da profundidade é limitada a uma profundidade de 250 nm, que é a espessura da camada epitaxial de SiC usada em nossos experimentos de CL. Observamos que a leitura multicamadas não é possível neste caso.
Os espectros CL na faixa de 800 a 1000 nm são mostrados na Figura 4d . Há um sinal CL extremamente baixo em uma amostra cultivada em comparação com PL. A razão para isso é uma concentração cada vez mais baixa de defeitos de V Si nas camadas epitaxiais em comparação com os wafers HPSI usados para PL (Seção Experimental). Após a implantação de He a uma fluência de 5 × 10 13 cm −2 , o espectro CL tem a mesma posição de pico e largura espectral que o espectro PL da Figura 1b , demonstrando que os elétrons podem de fato excitar eficientemente os defeitos V Si . Em seguida, usamos o HIM para escrever um código de barras representado no encarte da Figura 4e . Este código de barras representa o número 916, correspondente à posição espectral de uma das linhas de fônons zero V Si em 4H-SiC. O código de barras foi criado usando linhas de pixel único com fluência de 70 íons/nm a uma energia de 25 keV usando uma corrente de íons de 0,5 pA.
O código de barras recuperado com CL é apresentado na Figura 4c . Para ser espectralmente seletivo à emissão dos defeitos V Si , detectamos sinais de 800 nm (usando filtros passa-longo) a 1000 nm (dado pela sensibilidade espectral do detector de silício). Para analisar a resolução espacial, integramos o sinal ao longo das barras e traçamos a varredura linear através das barras, conforme mostrado na Figura 4e . A partir do ajuste multi-gaussiano, descobrimos que a largura total na metade do máximo (FWHM) das barras mais estreitas é de cerca de 420 nm, o que representa a resolução espacial. Este valor está em boa concordância com a resolução espacial lateral esperada dada pelo He combinado e pelo espalhamento de elétrons.
De acordo com a Figura 4a,b , a resolução espacial pode ser significativamente melhorada se a profundidade de criação dos defeitos V Si for limitada a 50 nm. Isto pode ser realizado usando íons He com menor energia em combinação com camadas epitaxiais de SiC mais finas. O espalhamento lateral de íons e elétrons He é limitado, neste caso, a 30 e 40 nm, respectivamente, resultando em uma resolução espacial total de 50 nm. Corresponde à densidade de armazenamento para uma única camada próxima de 300 Gbit/in 2 , que é comparável à densidade de área de registro das fitas magnéticas mas com tempo de armazenamento muito maior e sem necessidade de migração de dados.
Observamos que a densidade máxima de defeitos V Si opticamente ativos é 10 16 cm −3 , enquanto para concentrações mais altas a presença de canais de recombinação não radiativos devido a danos no cristal induzidos por irradiação suprime a emissão. Para tal densidade de volume, a distância média entre defeitos únicos de V Si é de 46 nm. Portanto, para atingir a densidade de armazenamento de área acima mencionada de 300 Gbit/in 2 , o único bit deve ser armazenado em um único ou em poucos defeitos V Si . A criação de um número único ou contável de defeitos V Si obedece à distribuição de Poisson. Para o valor médio de 1 V Si , a probabilidade de criar defeitos de 0 V Si é de cerca de 36,7% e a fidelidade de escrita correspondente é baixa. Porém, no limite de defeitos únicos ou poucos, a codificação binária é possível, onde o 0 lógico é representado pela ausência do sinal CL e o 1 lógico é representado pelo sinal CL diferente de zero dos defeitos V Si . Particularmente, se o valor médio for igual a 5 V Si , a probabilidade de criar um defeito de 0 V Si é inferior a 0,7%. A fidelidade de escrita correspondente definida estatisticamente estaria acima de 99,3% neste caso.
O rendimento de criação de defeitos únicos de V Si usando íons He com uma energia de 6 keV é de 8,5%, o que corresponde em média a 12 íons He necessários para criar um (ou 5) centro (s) V Si . Com base nesses números, a energia mínima necessária para armazenar um único bit é estimada em 10 fJ (ou 50 fJ). Este valor não leva em consideração o consumo de energia necessário para manter a IHM funcionando. O consumo geral de energia aumenta com o número de bits e a velocidade de escrita/leitura, mas não existe tal escalonamento para a operação da HIM. Portanto, no limite de um número muito grande de bits, a energia consumida deve ser determinada pela necessária para escrever o bit individual.
A velocidade de gravação alcançável é um critério importante para armazenamento de dados a longo prazo. É limitado pela fluência necessária para a criação dos defeitos e pela corrente do feixe de íons. No entanto, este último está ligado ao tamanho do spot alcançável e, portanto, não pode ser aumentado indefinidamente. Se assumirmos uma fluência necessária de Φ He = 1,2 × 10 12 cm −2 e uma área de bits de 1000 nm 2 de acordo com os resultados apresentados acima, necessitamos da implantação de ≈12 íons He. No caso da HIM, podemos utilizar altas correntes na faixa de 2 pA, pois a resolução necessária pode ser facilmente alcançada. Nestas condições, a gravação de um único pixel requer apenas 100 ns. Portanto, nossa abordagem tem potencial para atingir uma velocidade de gravação de 10 Mbit/s (ignorando o tempo necessário para direção e atualização do feixe, que é apenas uma pequena correção). Essa velocidade de gravação é mais rápida do que em outras mídias ópticas de armazenamento de dados.
Defeitos opticamente ativos também podem ser alcançados com outros íons. Uma fonte de íons metálicos líquidos permitirá aumentar a corrente para alguns 10 nA. Desde que o tamanho do ponto de 40 nm possa ser mantido, isto resulta, no entanto, em tempos de permanência extremamente curtos, o que exigirá novos supressores de feixe de alta velocidade. Assumindo um supressor tão rápido, capaz de apagar e revelar o feixe em menos de 10 ns , uma corrente de 200 pA é necessária para atingir a fluência necessária Φ Ga . Em tal sistema FIB hipotético, velocidades de gravação de até 100 Mbit/s poderiam ser alcançadas.
A velocidade de leitura é diretamente limitada pela taxa de emissão dos defeitos V Si . Para o armazenamento de dados ópticos 4D descrito na Figura , o potencial limite superior da velocidade de leitura é de cerca de 100 kbit/s. É muito menor se bits únicos forem armazenados em defeitos únicos de V Si , estando na faixa de apenas 1 kbit/s. Alguns outros centros de cores em SiC demonstram PL muito forte, que pode fornecer velocidade de leitura de defeitos únicos superior a 1 Mbit/s. Alternativamente, a taxa de contagem e, correspondentemente, a velocidade de leitura podem ser significativamente melhoradas coletando PL da face m do cristal de SiC ou coletando CL de nanocristais de SiC depositados em uma superfície condutora espelhada.
3 Conclusão
Demonstramos armazenamento de dados ultralongo e de alta densidade baseado em defeitos V Si , que são criados por feixes de íons focados. Para recuperar as informações armazenadas, excitamos os defeitos V Si com um laser de 785 nm usado em drives de CD e detectamos seu PL. Em seguida, aplicamos esquemas de codificação em escala de cinza de dois e oito bits com base na intensidade PL para armazenar texto e imagens, respectivamente. As imagens são armazenadas em duas camadas e nossas estimativas mostram que até dez camadas podem ser lidas sem interferência. Neste caso, a densidade de armazenamento projetada está na faixa de dezenas de Gbit/pol 2 , o que é comparável com discos HD DVD e Blu-ray. A extrapolação do tempo de decaimento do PL ativado termicamente aponta para um tempo de armazenamento extremamente longo. Para superar o limite de difração, demonstramos então que CL pode ser usado em vez de PL para ler bits codificados em defeitos V Si opticamente ativos. Para examinar a resolução espacial, que determina a densidade de armazenamento de área, escrevemos um código de barras em 4H-SiC usando HIM e lemos usando CL. Embora a resolução espacial do CL de cerca de 360 nm seja melhor do que no caso do PL, ela é limitada pelo espalhamento de íons e elétrons durante os processos de gravação e leitura, respectivamente. Ao reduzir a espessura da camada de gravação para 50 nm, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada, proporcionando o limite teórico da densidade de armazenamento de cerca de 300 Gbit/in 2 .
Nossa abordagem não se limita ao SiC e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D como WS 2 e hBN.
4 Seção Experimental
Amostras
As amostras de 4H-SiC foram adquiridas da STMicroelectronics (anteriormente Norstel). Para os experimentos de PL, foi utilizado um wafer 4H-SiC semi-isolante de alta pureza (HPSI). Para os experimentos de CL, foi utilizada uma camada epitaxial de 4H-SiC tipo p (nível de dopagem 1 × 10 17 cm -3 ) com espessura de 250 nm, cultivada em um substrato 4H-SiC tipo n. Um substrato condutor foi necessário para descarregar a amostra quando ela foi exposta ao feixe de elétrons em experimentos de CL.
Microscópio Confocal
As medições de PL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo, utilizando um microscópio confocal caseiro. Um laser acoplado a fibra de 785 nm de onda contínua (Thorlabs, LP785-SF20) foi enviado através de um filtro passa-faixa de 785 nm com uma janela de transmissão de 10 nm (AHF Analysentechnik AG, ZET785/10) e focado na amostra usando um objetiva do microscópio com NA = 0,81 otimizada para a faixa espectral NIR. A potência do laser foi controlada usando um atenuador de fibra óptica variável em linha (Thorlabs, VOA780-FC) e ajustada para aproximadamente 6 mW. Utilizando um sistema de nanoposicionamento de circuito fechado (attocube, ANPx311) ancorado ao porta-amostras, foram realizadas varreduras raster PL confocal 2D dos padrões HIM espacialmente seletivos. Para as varreduras PL em profundidade, foi considerado o índice de refração de SiC n SiC = 2,6. A emissão NIR do V Si foi coletada pela mesma objetiva enquanto os resíduos da luz laser foram limpos por um conjunto de dois filtros passa-longa de 800 nm (Thorlabs, FELH0800). O PL foi alimentado em um detector de fóton único de nanofio supercondutor acoplado a fibra de banda larga (Single Quantum) para medições de PL espectralmente integradas ou acoplado a um espectrômetro equipado com um Si-CCD (Andor Technology, iVac 324 FI) para medições de PL seletivas de comprimento de onda .
Implantação de feixe de íons focado
Os experimentos com feixe de prótons foram realizados nas instalações de irradiação TIARA da QST Takasaki, Japão. O acelerador de partículas de extremidade única de 3 MV foi utilizado para gerar um feixe focalizado estável com tamanho típico de 1 × 1 µm 2 , que foi estimado na estação final por imagens de elétrons secundários em uma malha de cobre. A estação final foi equipada com um estágio de precisão de dois eixos (Canon Precision) e controlou a posição do wafer SiC. A corrente do feixe através do porta-amostras foi monitorada durante a irradiação para registrar flutuações e desvios da corrente e fluência pretendidas, enquanto as correntes precisas do feixe foram avaliadas antes e depois do experimento de irradiação por um copo de Faraday conectado a um picômetro.
Toda a irradiação com feixe de íons He foi realizada em um Carl Zeiss Orion NanoFAB. A máquina possui vários complementos, incluindo um supressor rápido capaz do comprimento de pulso ultracurto mencionado acima, que também é usado para TOF-SIMS. Salvo indicação em contrário, uma pressão de hélio de2×10−6mbar, foi utilizada uma abertura de 10 µm, número de controle de ponto 4 e tensão de aceleração de 25 kV. Para reduzir a irradiação não intencional por átomos de He energéticos neutros, todos os padrões de irradiação foram colocados pelo menos 50 µm (normalmente 100 µm) fora do eixo da coluna óptica de íons.
Catodoluminescência
O sistema de detecção óptica comercialmente disponível (delmic SPARC) utilizado para as medições de CL foi acoplado a um microscópio eletrônico de varredura (scienta omicron NanoSAM Lab). A amostra foi montada em um sistema de microposicionamento controlado por piezo. O feixe de elétrons foi direcionado através de uma abertura micrométrica do espelho parabólico e focado na superfície da amostra até um tamanho de ponto abaixo de 10 nm. Um sinal CL foi emitido quando o feixe contínuo de elétrons de 5 keV (1 nA) excita V Si no ponto focal do espelho parabólico. A resposta CL foi coletada pelo mesmo espelho parabólico e acoplada a fibra (Thorlabs, FG300AEA) a um Si-APD (Thorlabs, APD440A) para medições CL espectralmente integradas ou acoplada a um espectrômetro equipado com uma câmera Si-CMOS (Andor Technology , Zyla 5.5 sCMOS) para medições CL seletivas de comprimento de onda. Mapas de intensidade CL 2D foram obtidos escaneando o feixe de elétrons lateralmente através do padrão HIM. Para evitar contribuições de outros defeitos luminescentes na faixa espectral visível, o sinal CL foi filtrado em passagem longa a 830 nm (Semrock, LP02-830RE-25). Todas as medições de CL foram realizadas à temperatura ambiente sob condições de vácuo.
Reconhecimentos
VD e GVA reconheceram o apoio financeiro do Cluster de Excelência em Complexidade e Topologia em Matéria Quântica de Würzburg-Dresden ct.qmat (EXC 2147, ID de projeto DFG 390858490). TO reconheceu o apoio do MEXT Q-LEAP JPMXS0118067395. M. Ho. obrigado Helmut Schultheiss pela assistência com o Blender na preparação dos esquemas na Figura 1a . GH e LB são membros da Ação COST FIT4NANO CA19140 http://www.fit4nano.eu. HK realizou trabalhos no Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sob contrato com a Nastional Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). O apoio do Ion Beam Center (IBC) nas instalações de irradiação HZDR e TIARA da QST Takasaki é reconhecido com gratidão pela implantação iônica.
Financiamento de acesso aberto habilitado e organizado pelo Projekt DEAL.
Conflito de interesses
Os autores declaram não haver conflito de interesses.