論文の概要: First-principles design of main-group dimer defects in ZnO as candidate quantum defects
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.20837v1
- Date: Fri, 21 Aug 2026 08:02:43 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-24 14:49:32.467839
- Title: First-principles design of main-group dimer defects in ZnO as candidate quantum defects
- Title（参考訳）: 候補量子欠陥としてのZnOの主群二量体欠陥の第一原理設計
- Abstract要約: 酸化亜鉛(ZnO)は、光学活性量子スピンの宿主である。
そこで本研究では,主群ドナー・アクセプター(DA)ペアによって形成される5.6Oの二重置換不純物のファミリーを同定し,特徴付ける。
本研究は,5.6Oにおける新規ドナー群欠陥を光学活性スピン欠陥の候補として提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.9000190202938048
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Zinc oxide (ZnO), a wide-band-gap semiconductor with mature growth techniques, is a promising host for optically active quantum spins. Yet, optically active quantum defects in ZnO remain largely unexplored. Here, we identify and characterize a family of double substitutional impurities in ZnO, formed by main-group donor-acceptor (DA) pairs, as candidates for optically active quantum defects. Using hybrid density functional theory (DFT), we systematically investigate double substitutional DA complexes and their defect physics, including electronic structure, thermodynamic stability, and optical properties. The proposed defects exhibit isolated defect states, strong spin localization on the acceptor site, and $C_{3v}$ symmetry. Importantly, the electronic structure of the DA pairs is largely determined by the atomic properties of their constituent atoms. We further examine their optical characteristics, including zero-phonon lines (ZPLs), radiative lifetimes, and nonradiative decay to assess their viability as color centers. Notably, among the dimers, (Si$_{Zn}$-B$_O$)$^+$ and (Ge$_{Zn}$-B$_O$)$^+$ exhibit visible optical transitions with sub-microsecond radiative lifetimes and robust charge states against optical ionization, while (Si$_{Zn}$-C$_O$)$^{2+}$ shows the smallest Huang-Rhys factor, approximately 5.6. Our results propose a new family of main-group donor-acceptor defects in ZnO as promising candidates for optically active spin defects.
- Abstract（参考訳）: 成長技術が成熟した広帯域ギャップ半導体である酸化亜鉛(ZnO)は、光学活性量子スピンのホストとして期待できる。
しかし、ZnOの光学活性量子欠陥はほとんど未解明のままである。
ここでは、主群ドナー-アクセプター(DA)ペアによって形成されるZnOの二重置換不純物の族を光学活性量子欠陥の候補として同定し、特徴付ける。
ハイブリッド密度汎関数理論(DFT)を用いて、電子構造、熱力学安定性、光学特性を含む二重置換DA錯体とその欠陥物理を系統的に研究する。
提案された欠陥は、孤立した欠陥状態、アクセプター部位の強いスピン局在、および$C_{3v}$対称性を示す。
重要なことに、DA対の電子構造は、その構成原子の原子の性質によって決定される。
また, ゼロフォノン線(ZPL), 放射寿命, 非放射減衰などの光学特性について検討し, 色中心としての可視性を評価する。
特に、二量体の中では (Si$_{Zn}$-B$_O$)$^+$ と (Ge$_{Zn}$-B$_O$)$^+$ が可視光遷移を示し、(Si$_{Zn}$-C$_O$)$^{2+}$ は約5.6である。
本研究は,光活性スピン欠陥の候補候補として,ZnOの主群ドナー受容体欠損の新たなファミリーを提案する。
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