[發明專利]一種納米金剛石過渡金屬色心的植晶摻雜制備方法

有效

• 申請號: 202010699703.3
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111705305B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 譚心;陳路華;劉志鑫;未雪原
• 申請（專利權）人: 內蒙古科技大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/56;C23C16/511
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙) 11462
• 代理人: 宋磊;王洪波

本發明涉及納米金剛石色心領域，具體為一種納米金剛石過渡金屬色心的植晶摻雜制備方法，包括如下步驟：在石英基底表面生長納米金剛石薄膜形成金剛石基底，對金剛石基底去表面石墨處理后進行超聲清洗；將納米金剛石膠體溶液和過渡金屬粉末均勻混合，配制混合植晶液；將金剛石基底置于配制的混合植晶液中，進行超聲植晶，得到混合晶種均勻分布的金剛石基底；在植晶完成后的金剛石基底表面再生長納米金剛石薄膜；然后進行高溫退火、去表面石墨處理，得到較為純凈的具有過渡金屬色心的金剛石。本發明通過超聲植晶方式在金剛石基底表面植入均勻分布的混合晶種，將過渡金屬元素引入金剛石生長環境，方便高效的實現了納米金剛石過渡金屬色心的制備。

技術領域

本發明涉及金剛石色心領域，具體為一種納米金剛石過渡金屬色心的植晶摻雜制備方法。

背景技術

金剛石色心是室溫下單個光子的光穩定固態源，能夠被用作量子信息的載體，完成諸如量子通信或量子計算等任務；在生物標記以及納米顯微技術等方面也具有重要的作用。近年來，我國在量子通訊技術應用方面的技術發展迅速。然而，我國關于單光子源制備方面的研究相對較少。很多研究組使用的單光子源均來自國外。因此，為保障我國在量子信息、量子計算等領域的順利發展，有必要加強單光子源制備方面的研究。

過渡金屬元素具有獨特的電子結構，使得摻雜后的金剛石表現出優異的發光性能，在可見光和近紅外光區域具有明亮熒光；同時過渡金屬色心具有很小的光激發弛豫能，準局域聲子沒有明顯耦合，展現出銳利的熒光峰。過渡金屬色心正逐漸成為量子光學和生物成像應用中的重要工具。

目前對過渡金屬色心的研究集中于天然金剛石和高溫高壓合成金剛石中，利用微波等離子體化學氣相沉積設備合成的研究相對較少。在色心的制備方法中，離子注入的方法會對金剛石晶格造成破壞，影響色心發光，不利于高純度色心形成；高溫高壓制備出的金剛石純凈度較差，在工業上運用較多；化學氣相沉積方法能夠得到高質量的金剛石膜，易于在實驗室實現。然而由于過渡元素相較于碳元素的原子半徑較大，采用氣體將過渡金屬的化合物帶入沉積腔的方式很容易造成流量計堵塞，給金剛石過渡金屬色心的化學氣相沉積制備帶來了困難。

發明內容

本發明的目的是提供一種納米金剛石過渡金屬色心的植晶摻雜制備方法，通過超聲植晶方式，在金剛石基底表面植入均勻分布的納米金剛石晶種和過渡金屬小顆粒，將過渡金屬元素引入金剛石生長環境，方便高效的解決了化學氣相沉積設備中難以引入過渡金屬元素的問題，實現了具有過渡金屬色心的納米金剛石的制備。

本發明的技術方案為：

一種納米金剛石過渡金屬色心的植晶摻雜制備方法，其特征在于，采用超聲植晶的方式將過渡金屬元素引入到金剛石生長環境中，生長含有過渡金屬元素的納米金剛石薄膜，包括以下步驟：

步驟一：將石英基底依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗，去除石英基底表面有機物和殘余雜質；

步驟二：將清洗后的石英基底放入微波等離子體化學氣相沉積設備的沉積腔中，在石英基底的表面生長納米金剛石薄膜，生長完成的納米金剛石薄膜形成金剛石基底；

步驟三：對金剛石基底進行去表面石墨處理，去表面石墨處理采用空氣中加熱氧化的方式，加熱溫度為550℃，升溫降溫速率均為200℃/h，保溫時間為1h；

步驟四：對去表面石墨處理后的金剛石基底進行清洗：依次置于丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗；

步驟五：配制混合植晶液：通過超聲處理方式，將納米金剛石膠體溶液和過渡金屬粉末混合均勻，得到混合植晶液，納米金剛石膠體溶液中的納米金剛石顆粒粒徑為3nm～4nm，過渡金屬粉末顆粒粒徑為2μm～5μm，超聲混合時的超聲頻率為500Hz～700Hz，超聲時間為30min～50min；通過調整過渡金屬粉末的數量，可以控制形成色心的密度；