[發明專利]面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面結構及其制備方法

有效

• 申請號: 202110581418.6
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113046722B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 李輝;申勝男;張正浩;沈威
• 申請（專利權）人: 武漢大學深圳研究院
• 主分類號: C23C16/28
• 分類號: C23C16/28;C23C16/455;C23C16/02;C23C16/27
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖明洲

本發明公開了一種面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面結構及其制備方法。本發明使用密度泛函理論研究了氧覆蓋金剛石表面的電子性質及其對NV?色心的影響。結果表明氧覆蓋金剛石表面既沒有表面磁性也無禁帶中間能級，并且還具有正電子親和力（1.85 eV），這些表明氧覆蓋金剛石表面可能是NV色心的理想基質。它不僅理論上滿足淺NV色心的電子要求，而且還可以通過氧化工藝制造。

技術領域

本發明涉及NV色心量子傳感器領域，具體涉及一種面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面結構及其制備方法。

背景技術

負電荷的氮空位色心（NV）金剛石在量子信息處理和量子傳感技術領域有廣泛的應用前景。NV色心是固態缺陷量子位，其自旋態會隨著外界微波場的變化而產生改變，通過測量狀態相關的熒光強度可以計算出這種微弱的外界場，例如磁場、電場以及溫度等。NV色心的單光子性質直到室溫下都可以產生并具有長壽命的相干性，這種特性使得在量子信息與量子傳感具有廣泛的應用前景，此外，具有單個嵌入式NV色心的金剛石納米粒子可用于納米級量子傳感器，NV中心的自旋狀態對表面狀況的敏感程度直接決定測量的精度和分辨率，因此金剛石表面化學工程變得非常重要。

金剛石表面結構目前已有很多研究，氧和氫是常用的兩種覆蓋材料，由于氫電負性小于碳，覆蓋表面時表面電子親和能表現為負，使NV色心在靠近表面時容易失去負電荷，同時有較大的表面磁性噪聲干擾，無法很好應用于量子傳感方面。

發明內容

針對現有技術的不足，利用金剛石NV色心的熒光效應實現對外界微波場的精確測量前人已有研究，本發明便是面對NV色心量子傳感器提出一種可實現的面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面及其制備方法，以期提高其測量精度，并詳細闡述了其優勢及實施方法。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

第一方面，本發明提供一種面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面結構，其特征在于：所述氧覆蓋金剛石表面結構為成環覆蓋（C-O-C），氧原子與表面兩個碳原子成鍵形成環結構，氧覆蓋率為0.5ML；所述氧覆蓋結構能完全氧化其表面，使懸鍵飽和，同時其自身也有很好的穩定性。

作為優選方案，所述氧覆蓋金剛石表面結構具備以下優勢特性：

（1）產生正電子親和能：所述氧覆蓋金剛石表面電子親和能為1.85ev，此特性能保證負電荷的氮空位色心在靠近表面時仍能穩定的帶有一個負電荷，從而正常實現量子傳感；

（2）無表面磁性：所述氧覆蓋金剛石表面結構中沒有態密度穿過了費米能級，在金剛石禁帶中也沒有與表面相關的中間能級，相關氧覆蓋結構沒有表面磁性，不會對NV色心量子傳感產生干擾；

（3）無禁帶中間能級：所述氧覆蓋金剛石表面結構無禁帶中間能級，能很好地滿足NV色心量子傳感要求。

第二方面，本發明提供一種上述面向NV色心的氧覆蓋金剛石表面結構的制備方法，其特征在于：包含如下步驟：

S1：篩選表面平整無損傷，高平行度，低粗糙度的襯底片，采用激光切割成規整片狀，進一步拋光去除激光切割產生的表面碳化層和劃痕，獲得表面光滑的金剛石襯底；

S2：將處理好的金剛石襯底片放入MPCVD腔室，控制襯底溫度在1000℃，MPCVD設備的微波功率調為4~6kW，甲烷和氫氣的比例為3%，腔室氣壓控制在100~500torr，同時需要通入濃度為1~5sccm的氧氣，進行金剛石薄膜的生長；

S3：繼續通入甲烷氫氣生長，同時根據NV色心需要控制比例為NH₃/H₂=1%，摻入NH₃氣體，此時仍保持S2步驟中的條件不變，十小時以后能后獲得規整的摻氮金剛石薄膜，此時仍保持S2步驟中的條件不變，停止通入氣體；