氮离子注入实现单晶和多晶金刚石中氮-空位色心的可控生成

《Diamond and Related Materials》：Nitrogen ion implantation for controlled nitrogen-vacancy center creation in single- and polycrystalline diamond

　　

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  通过氮离子注入实现可控的氮空位（NV）中心形成。
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  单晶与多晶钻石性质对比。
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  激光功率和离子注入密度与氮空位中心数量的相关性。
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  多晶钻石中负电荷NV中心的空间分布成像。

引言

负电荷氮空位（NV${}^{?}$）中心是钻石中的光学活性点缺陷，在量子技术领域引起了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些点缺陷由一个取代晶格中碳原子的氮原子与一个相邻空位组成。它们在室温下具有长相干时间[6]、[7]，结合光学初始化和读出能力，使其成为量子传感和自旋基应用的优秀平台。这类应用要求在钻石晶体的特定位置精确可控地创建NV中心。

氮的掺入可发生在天然钻石中，也可在高压高温（HPHT）合成[8]和化学气相沉积（CVD）生长[9]、[10]过程中发生，这是由于HPHT原料或CVD进料气中（无意或有意）存在氮杂质所致。为了创建空位，已开发出多种基于辐照的方法，包括电子辐照[11]、[12]、[13]、[14]、激光辐照[15]、[16]以及离子注入[17]、[18]、[19]。每种技术都有其特定的优势和局限性，取决于目标应用中对NV${}^{?}$中心深度、密度和创建效率的具体要求[4]。尽管可以通过电子、质子或碳注入来控制空位密度[20]、[21]，但通过HPHT或CVD制备的钻石样品中的氮浓度是固定的。

然而，也有可能将氮注入钻石基底并主动控制氮和NV浓度。已有研究表明，以2 MeV能量注入的氮离子在850 °C退火后，可以每注入一个离子产生一个色心[22]。NV中心的产生效率强烈依赖于离子注入能量、每注入离子产生的空位数量以及与表面的距离[23]。

在氮注入钻石与生长过程中掺入氮的材料中，NV中心的形成动力学存在重要差异。这种差异源于氮原子在高度无序构型中的位置不同：前者包括间隙和缺陷相关位置，后者为替代位置。尽管已提出更复杂的色心模型[24]，且已知会发生多中心复杂形成（N₂V、NV₂等），但基于连续空位聚集的简单动力学模型表明间隙中心的激活效率较低。这与通常为低至中等氮注入能量所报告的NV中心产生率较低（通常为几个百分点）的结果一致[23]。尽管关于氮注入和NV中心形成已有大量文献，但关于单晶（SC）与多晶（PC）钻石之间关系的研究相对较少，尤其是在NV${}^{?}$用于传感应用的视角下。

因此，本工作重点关注纯（未掺杂）块体SC钻石和$5\mathrm{\mu }\mathrm{m}$厚的PC钻石膜中的氮离子注入，后者是PC钻石的代表性案例。尽管对于类似的离子通量范围，块体SC钻石中的氮注入已有报道[23]，但我们从SC钻石开始研究，以便更好地理解PC膜中NV中心的形成过程。由于离子通量和能量可调，从而注入深度也可调，这是一种创建具有可控浓度和空间定位NV中心的有效方法。在注入过程中，具有预选能量的氮离子被导向钻石基底，在其中掺入晶格的同时通过碰撞损伤产生空位。注入后，对样品进行热退火以减少晶格损伤并促进空位迁移。这种方法也用于涉及浅注入氮离子的传感应用中[25]、[26]。

接下来，我们通过光谱分析研究所创建NV中心的电荷态，并使用文献[27]中开发的方法对比SC和PC钻石中的NV形成情况。为了更好地理解两类样品之间的定性差异，我们将文献[21]中提出的统计模型应用于氮注入引起的NV激活过程。最后，我们进行光探测磁共振（ODMR）测量以量化自旋相干时间，这对于高精度磁力计至关重要，并通过关联光致发光与ODMR宽场成像研究PC钻石中NV${}^{?}$中心的不均匀分布。

章节摘要

钻石样品与氮离子注入

我们研究了两种氮注入样品：一块高纯度SC钻石板（电子级，4.5 $x$ 4.5 mm宽，0.50 mm厚，Element Six）和一块$5\mathrm{\mu }\mathrm{m}$厚的PC钻石膜（Diamond Materials GmbH，详见[28]、[29]及SI）。两个样品均在意大利国家核物理研究所（INFN）佛罗伦萨分部——环境与文化遗产实验室（LABEC）的静电偏转器（DEFEL）设施上进行注入[30]、[31]。一个离子

成像

光学表征从光栅扫描注入区域开始，如图1(a)和(b)分别为SC和PC样品所示的注入区域示意图。图1(c)显示了SC块体钻石中所有氮注入区域（从80 ppm到1 ppm）的复合图像，呈现为明亮的圆形斑点。这清楚地证明了氮注入是有效的，并且色心在预设位置形成。同样的方法也应用于$5\mathrm{\mu }\mathrm{m}$

结论

在本工作中，我们展示了在块体SC钻石和$5\mathrm{\mu }\mathrm{m}$厚的PC钻石膜中通过氮离子注入创建NV中心的过程。激活效率使用文献[27]中提出的方法计算，该方法基于拉曼和光致发光信号的光谱分析。此外，我们开发了一个统计模型来描述SC钻石中观察到的饱和行为，为实验数据提供了一致的拟合，并提供了对

CRediT作者贡献声明

Zeeshan Rashid：撰写—原始草稿、可视化、调查研究、形式分析、数据整理。Nemanja Marke?evi?：撰写—原始草稿、可视化、监督、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Stefano Lagomarsino：撰写—原始草稿、验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Nicla Gelli：撰写—审阅与编辑、资源、项目管理、方法论、调查研究，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢与Florian Sledz和Michael Kunzer的富有成效的讨论。A. M. F.和M. A.感谢使用锡根大学MNaF的基础设施，并感谢Hongcai Wang和Benjamin Butz在仪器操作和STEM图像采集方面的宝贵帮助。本工作获得欧洲国防基金（EDF）资助，资助协议号101103417—ADEQUADE项目。由欧盟资助。所表达的观点和意见

Zeeshan Rashid|Nemanja Marke?evi?|Stefano Lagomarsino|Nicla Gelli|Lorenzo Giuntini|Mirko Massi|Silvio Sciortino|Assegid Mengistu Flatae|Santiago Hernández-Gómez|Giovanni Bianchini|Eckhard W?rner|Christoph Wild|Nicole Fabbri|Mario Agio