An \emph{ab initio} study on split silicon-vacancy defect in diamond: electronic structure and related properties
金刚石中的分裂硅空位缺陷（SiV）是一种具有电活性和光学活性的色心。最近，它已被证明，这个色心是明亮的，可以检测到在单一的缺陷水平。此外，SiV缺陷显示出非零电子自旋基态，这可能使该缺陷成为除了众所周知的金刚石中的氮空位色心之外的量子光学和计量应用的替代候选者。然而，缺陷的电子结构，光激发的性质和其他相关性质还没有得到很好的理解。在这里，我们提出了先进的\emph{ab initio}研究金刚石中的SiV缺陷。我们确定了缺陷的形成能、电荷跃迁能级和激发态的性质。我们的研究解开了与1.68 eV光致发光中心相关的带负电荷的SiV缺陷的黑暗或搁置状态的起源。
2013-10-14 cond-mat.mtrl-sci
Dark defect charge dynamics in bulk chemical-vapor-deposition-grown diamonds probed via nitrogen vacancy centers
虽然化学气相沉积（CVD）是合成金刚石晶体的首选途径之一，但对生长过程中产生的点缺陷的全面了解仍然不完整。在这里，我们利用1b型CVD金刚石中氮空位（NV）中心的电荷和自旋特性来暴露光学和磁性暗点缺陷，尽管与取代氮的丰度相当（如果不大于），但迄今为止几乎未被注意到。间接检测到的光致发光光谱表明，施主态1.6电子伏特以上的价带，但缺陷的微观结构和成分仍然难以捉摸。我们的研究结果可能会证明相关的依赖CVD生长的单晶金刚石的应用程序的增长。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci
25-nm diamond crystals hosting single NV color centers sorted by photon-correlation near-field microscopy
含有高度光致发光色心的金刚石纳米晶是一种引人注目的非经典近场光源。对于近场应用，反射镜的尺寸至关重要，因为它定义了光学分辨率。NV（氮空位）色心通过纳米金刚石粉末的质子照射和退火有效地产生。使用近场显微镜和光子统计测量，我们表明，纳米金刚石的尺寸下降到25 nm，可以保持一个单一的NV色心明亮，稳定的光致发光。
2007-10-31 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Synthesis of Luminescent Eu defects in diamond
镧系元素由于其窄的光学跃迁和长的自旋相干时间，是照明，成像技术和未来量子存储器应用的重要组成部分。近年来，金刚石已成为实现量子信息科学中许多实验的卓越平台。在这项工作中，我们展示了一种很有前途的方法，将Eu离子纳入单晶金刚石和纳米金刚石，提供了一种手段，利用镧系元素和金刚石在单一材料中的特殊特性。聚电解质用于静电组装Eu（III）螯合物分子在金刚石和随后的化学气相沉积用于高品质的金刚石晶体的生长。光致发光，阴极射线发光和时间分辨荧光测量表明，Eu原子保留的特征光学签名的Eu（III）纳入金刚石晶格后。计算模型支持实验结果，证实了金刚石中的Eu3+是金刚石带隙内的稳定配置。的合成技术的多功能性，进一步说明通过创建的良好的研究铬缺陷中心。这些缺陷中心一起证明了通过静电组装以及化学气相沉积生长能够对杂质掺入金刚石进行出色的化学控制。
2014-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Impurity atom configurations in diamond and their visibility via scanning transmission electron microscopy imaging
本文综述金刚石中杂质原子构型，并通过图像模拟和首张原子级图像证明重掺杂原子在扫描透射电镜中可见，为精确解析其结构开辟了研究领域。
2023-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Stability of Oxygenated Groups on Pristine and Defective Diamond Surfaces
金刚石的表面功能化已经通过各种技术进行了广泛的研究，例如氧化。在氧化金刚石上相应地检测到几种氧基团，例如COC（酯）、CO（酮）和COH（羟基）。然而，金刚石表面上这些基团的组成和相对浓度会受到氧化处理类型和金刚石表面质量的影响。为了研究特定金刚石表面上含氧基团的稳定性，我们通过全原子反应分子力学（FARMM）模拟，使用ReaxFF力场，评估了原始和有缺陷金刚石表面上CO，COC和COH基团的形成能（110），（111）和（311）。根据我们的研究结果，COH基团在完美的（110）表面上具有最低的形成能，而COC基团在有缺陷的表面上更受欢迎。对于（111）面，COC基团对于原始面和缺陷面都是最稳定的。同样，COC基团也是缺陷/完美（311）表面上最稳定的基团。通过这种方式，我们的结果表明，如果在金刚石膜中（110）表面是主要的暴露面，则吸附最多的氧基团可能是COH或COC，其中COC将取决于表面缺陷的水平。
2022-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Characterization of oxygen defects in diamond by means of density functional theory calculations
金刚石中的点缺陷作为实现固态量子比特、生物成像剂或超灵敏的电场或磁场传感器的候选者受到高度关注。各种人造金刚石的合成方法都会在金刚石中引入氧污染，然而，氧进入金刚石晶体以及与氧相关的点缺陷的性质在很大程度上是未知的。氧作为量子比特的来源可能是潜在的令人感兴趣的，或者它可以与其他点缺陷相互作用，这些点缺陷是公认的固态量子比特。在这里，我们采用平面波超原胞计算的密度泛函理论，为了表征各种氧相关的缺陷的电子和磁光性质。除了微不足道的单个间隙和替代氧缺陷，我们还考虑了它们与空位和氢原子的复合物。我们发现，氧缺陷大多是电活性的，并引入高度相关的轨道，构成了密度泛函理论建模的挑战。然而，我们能够在电子顺磁共振谱中识别出替位氧缺陷、氧空位和氧空位氢复合物的指纹。我们证明，第一性原理计算可以预测的运动平均的电子顺磁共振谱的缺陷，受到Jahn-Teller失真。我们发现，高自旋中性氧空位缺陷从其光学激发态表现出非常快的非辐射衰减，这可能会阻碍它作为量子比特的应用。
2016-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Calculation ofthe transitions and migration of nitrogen and vacancy related defects,with implications on the formation of NV centers in bulk diamond
用屏蔽非局域杂化密度泛函超原胞平面波方法计算了金刚石中置换氮（Ns）、空位（V）和相关点缺陷（NV、NVH、N2、N2V和V2）的形成能、激发能以及电荷跃迁能级。此外，还计算了V和NV的扩散激活能，对已有的数据进行了理论和实验的比较，发现理论和实验符合得很好，并对缺失的数据进行了预测。基于这些缺陷的计算性质，带负电荷的氮空位中心的形成进行了研究，这是一个突出的候选应用在量子信息处理和纳米传感器。我们发现，NV缺陷的浓度是有限的天然金刚石由于相对较高的形成能量的NV。我们的研究结果表明，NV缺陷主要形成在退火的早期阶段，在N掺杂和辐照的金刚石。我们发现，具有多个受主态的两性双空位缺陷对辐照金刚石样品中NV的电荷状态和光稳定性有显著影响。
2013-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Direct observation of the leakage current in epitaxial diamond Schottky barrier devices by conductive-probe atomic force microscopy and Raman imaging
利用导电探针原子力显微镜（CP-AFM）和共焦显微拉曼/光致发光（PL）成像分析技术，对几种垂直型金刚石肖特基器件的高漏电流来源进行了研究。在样品表面的几个不同区域中，已经确定了局部电阻相对于其紧密周围强烈降低（5-6个数量级下降）的局部区域。同样的局部区域，也称为电热点，揭示了一个轻微约束的金刚石晶格和三个主要的拉曼波段在低波数区（590，914和1040 cm-1）。后面这些带通常被分配到涉及硼杂质及其可能的络合物的振动模式，这些络合物可以作为载流子的陷阱。在热点进行的局部电流-电压测量指出，陷阱填充限制（TFL）电流作为主要的导电机制，有利于在肖特基器件的漏电流。
2014-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic stability of neutral Xe defects in diamond
金刚石中的光学活性缺陷中心具有相当大的兴趣，从头计算为这些系统的物理提供了有价值的见解。利用密度泛函理论，对金刚石中结构信息知之甚少的晶格中心的候选结构进行了建模。两种可能的结构安排的相对热力学稳定性进行了计算。在1500 K以下的温度范围内，裂空位结构是最稳定的。还进行了振动分析，预测拉曼和IR活性模式，这可能有助于区分中心结构。
2012-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Influence of extended defects on the formation energy, the hyperfine structure, and the zero-field splitting of NV centers in diamond
采用密度泛函理论对金刚石中位于扩展缺陷（即本征层错、非本征层错和共格孪晶界）附近的氮空位中心进行了理论分析.几个网站的NV中心接近扩展的缺陷是积极的首选相对于散装晶体。这表明NV中心可能在扩展缺陷处富集。我们报道了NV中心在扩展缺陷处的超精细结构（HFS）和零场分裂（ZFS）参数，它们通常偏离体积值约10%，但在某些情况下可达90%.此外，我们发现，扩展的缺陷对NV中心的影响是短期的：NV中心，大约三个双层（对应于$\sim6$ $\mathring{A}$远离缺陷平面已经显示出块体的行为。
2020-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Interconnection of point defect parameters in solids with bulk properties: Application to diamond
我们表明，缺陷熵和缺陷的缺陷在金刚石中的空位形成的焓的值，有一个比例，这是一个预测的模型提出了四十年前。这个模型，它互连的形成吉布斯能与体弹性和膨胀率的数据，最近也被发现的价值在高$T_c$ -超导体，以及在玻璃形成液体。
2017-04-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Imaging graphene field-effect transistors on diamond using nitrogen-vacancy microscopy
已经提出了基于金刚石中的氮空位（NV）传感器的集合体的成像技术应用于微电子器件，但是NV感测与操作门控器件的兼容性仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们直接在金刚石表面上制造石墨烯场效应晶体管（GFET），并通过NV显微镜对其进行观察。门控石墨烯内的电流密度是根据NV磁力测量法在主要是p型和n型掺杂下重建的，但发现确切的掺杂水平受到测量的影响。此外，我们观察到一个令人惊讶的大调制的电场在金刚石表面下施加的栅极电位，看到在NV光致发光和NV电测量，表明氧化物-石墨烯-金刚石结构的复杂的静电响应。可能的解决方案，以减轻这些影响进行了讨论。
2019-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Photochromism in single nitrogen-vacancy defect in diamond
研究了金刚石单氮空位光学中心的光致变色现象。时间分辨光谱表明，在514 nm的强烈照射开关的氮空位缺陷的负形式。这种缺陷态在黑暗条件下弛豫回到中性形式。由光学中心的不同电荷状态发射的光子的时间关系明确地表明，氮空位缺陷占575 nm和638 nm的发射带。讨论了含氮给体光致变色的可能机理。
2005-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Small-Angle X-ray and neutron scattering from diamond single crystals
本文介绍了用小角散射法研究具有不同类型的点缺陷和扩展缺陷以及不同退火程度的金刚石的结果。结果表明，热退火和/或机械变形导致形成纳米尺寸的平面和三维缺陷引起的小角散射。缺陷通常由金刚石常见的晶面111、100、110、311、211形成小面。散射缺陷可能包括集群的内在和杂质相关的缺陷，机械孪晶的边界也有助于SAS信号。氮杂质浓度与散射强度之间没有明显的相关性。
2011-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Electron paramagnetic resonance of the $\mathrm{N_{2}V^{-}}$ defect in $\mathrm{^{15}N}$-doped synthetic diamond
氮是大多数天然和合成金刚石中的主要杂质，并且氮空位型（$\mathrm{N_{n}V}$）缺陷家族在我们理解这些金刚石中的缺陷动力学中是至关重要的。一个显著的差距是在含有显著浓度的电子供体的金刚石中缺乏对$\mathrm{N_{2}V}^{-}$（$\mathrm{N_{2}V}$的主要电荷状态）的阳性鉴定。在本文中，我们使用同位素富集的金刚石来识别与$^{15}\mathrm{N_{2}V}^{-}$相关的EPR谱，并使用导出的自旋哈密顿参数来识别天然同位素丰度样品中的$^{14}\mathrm{N_{2}V}^{-}$。电子波函数的$\mathrm{N_{2}V^{-}}$基态和以前缺乏识别进行了讨论。示出的$\mathrm{N_{2}V}^{-}$ EPR谱强度与H2光吸收在浓度的数量级。
2015-10-14 cond-mat.mtrl-sci
Engineering quantum-coherent defects: the role of substrate miscut in chemical vapor deposition diamond growth
金刚石中的缺陷，特别是氮空位（NV）中心的工程对于量子科学中的许多应用都很重要。基于金刚石的化学气相沉积（CVD）生长和原位氮掺杂的材料科学方法是调节和优化嵌入缺陷的期望性质的有前途的途径。在此，考虑到嵌入缺陷的相干性，我们探索了衬底错切对金刚石生长速率、氮密度和小丘缺陷密度的影响，并且我们报告了用于工程化金刚石中NV中心的相干系综的目的的0.66° < θ < 1.16°之间的最佳角度范围。我们提供了一个模型，定量描述了丘形核的CVD生长的阶梯流制度，脱落的洞察力的物理丘形成。我们还报告了显着增强的氮在小丘缺陷的掺入，打开的可能性为模板小丘缺陷本地化NV中心合奏量子应用。
2020-05-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Scanning X-ray Diffraction Microscopy for Diamond Quantum Sensing
理解CVD金刚石中纳米和微米尺度的晶体应变对于金刚石量子技术的进步至关重要。特别是，这种应变的存在及其表征对基于金刚石的量子传感和信息应用以及未来的暗物质探测器提出了挑战，其中入射粒子的方向信息被编码在晶体应变中。在这里，我们利用纳米聚焦扫描X射线衍射显微镜定量测量晶体变形的缺陷，在金刚石具有高的空间和应变分辨率。结合来自多个布拉格角的信息，允许立体三维建模的应变特征的几何形状;衍射结果通过比较验证的应变张量的光学测量的基础上自旋状态相关的光谱系综的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的研究结果表明，应变和空间分辨率足以通过X射线测量晶体应变的暗物质的定向检测，并提供了一个有前途的工具，金刚石生长分析和改进的缺陷为基础的传感。
2022-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Optimizing synthetic diamond samples for quantum sensing technologies by tuning the growth temperature
通过调节化学气相沉积（CVD）温度，在（113）取向金刚石衬底上生长金刚石，可以控制金刚石中氮空位（NV）缺陷的晶体取向。我们发现，当CVD生长温度降低时，NV缺陷沿[111]轴的择优取向得到显着改善。然后将这种效应与CVD生长期间NV缺陷的温度依赖性并入相结合，以获得在薄金刚石层中空间定位的NV缺陷的密集集合上的优先对准。这些结果表明，生长温度可以被利用作为一个额外的自由度，以工程优化的金刚石样品的量子传感应用。
2018-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Na in Diamond: High Spin Defects Revealed by the ADAQ High-Throughput Computational Database
研究利用ADAQ高通量数据库筛选21607个金刚石缺陷，发现含钠缺陷具有高自旋和优良光学性质，并通过高精度计算揭示Na_C与NaV的量子应用潜力。
2024-06-11 cond-mat.mtrl-sci
Effect of deep-defect excitation on mechanical energy dissipation of single-crystal diamond
金刚石的超宽带隙将其与其他半导体区分开来，因为所有已知的缺陷都具有在室温下不活跃的深能级。在这里，我们提出的影响，深缺陷的机械能量耗散单晶金刚石的实验和理论高达973 K。能量耗散被发现随温度的增加，并表现出局部最大值，由于声子和深缺陷之间的相互作用，在特定的温度下激活。提出了一个含深能级的二能级模型，较好地解释了高温下的能量耗散。很明显，去除硼杂质可以显著提高室温金刚石机械谐振器的品质因数。氮的深能性质赋予单晶金刚石在室温或更高温度下在机械谐振器中具有出色的低本征能量耗散。
2020-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Photoluminescence of single colour defects in 50 nm diamond nanocrystals
我们使用光学共聚焦显微镜研究金刚石50 nm纳米晶体的光学性质，首先用电子束照射，然后分散为胶体溶液，最后沉积在二氧化硅载玻片上。在室温下，在波长为514.5 nm的CW激光激发下，我们观察到嵌入纳米晶体中的完全光稳定的单个氮空位（NV）颜色缺陷。从发射光光谱中575 nm附近的零声子线，我们推断出中性NV0型缺陷。这种具有内在荧光的纳米颗粒对于生物学中的应用是非常有希望的，其中仍然缺少长期发射荧光的生物相容性纳米探针。
2005-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Ab-initio calculation of point defect equilibria during heat treatment: Nitrogen, hydrogen, and silicon doped diamond
点缺陷是材料中广泛的光电特性的原因，因此设计它们的浓度对于新材料设计至关重要。然而，考虑到在共掺杂的半导体和介电材料中的过多缺陷以及缺陷形成能对热处理参数的依赖性，基于实验试错方法的工艺设计不是有效的策略。这使得有必要探索预测热处理过程中的缺陷平衡的计算途径。关于金刚石中缺陷转化的实验知识的积累是无与伦比的。因此，金刚石是一个很好的基准计算方法的材料。以氮、氢和硅掺杂金刚石为模型体系，研究了金刚石热处理过程中缺陷形成能与压力的关系，并通过从头计算方法计算了金刚石热处理过程中的缺陷平衡。我们绘制了各种缺陷的单片Kröger-Vink图，表示基于工艺参数的缺陷浓度，例如金刚石热处理过程中使用的气体的温度和分压。该方法表明预测的大部分实验数据，如氮聚集路径导致形成的B中心，退火的B，H3，N3，和NVHx中心在超高温下，SiV中心的热稳定性，和NV浓度的温度依赖性。我们展示了通过使用相对便宜但稳健的第一原理方法来设计各种半导体和介电材料的热处理的可能性，显著加速了缺陷工程和高通量新型材料设计。
2021-11-22 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Atomic observation on diamond (001) surfaces with non-contact atomic force microscopy
本研究利用反应性Si针尖的非接触式原子力显微镜在室温下实现了金刚石(001)表面原子分辨率成像，结合密度泛函理论揭示了倾斜C-Si键形成与表面二聚体重排是成像关键，为金刚石掺杂识别和纳米结构构建铺平道路。
2024-03-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
First-principles Studies of Strongly Correlated States in Defect Spin Qubits in Diamond
利用最近发展起来的量子嵌入理论，我们对金刚石中自旋缺陷的强关联态进行了第一性原理计算。在这个理论中，有效的哈密顿量被构造出来，可以用经典计算机和量子计算机来求解;后者比前者保证了一个更有利的尺度作为系统大小的函数。特别地，我们报道了金刚石中的中性IV族空位复合物的研究，并讨论了它们的强关联自旋单重态和自旋三重态激发态。我们的研究结果提供了有价值的预测实验，旨在光学操纵这些缺陷的量子信息技术的应用。
2020-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Tailoring spin defects in diamond
固体中原子大小的自旋缺陷是独特的量子系统。大多数应用需要纳米定位精度，这通常通过低能离子注入来实现。到目前为止，这种技术的一个缺点是对晶格的显著的残余重结晶引起的损伤，这强烈地降低了量子应用中自旋的性能。在这封信中，我们表明，电荷状态的重结晶引起的缺陷，极大地影响在热退火过程中的晶格缺陷的形成。我们证明，充电的空位定位在例如个别氮注入位点抑制形成的空位复合物，导致在一个十倍的改善自旋相干时间的单氮空位（NV）中心的金刚石。这是通过将注入缺陷限制在由纳米薄的掺硼金刚石结构产生的自由载流子的空间电荷层中来实现的。此外，观察到NV中心形成的产率提高了两倍。通过结合数值计算，这些结果，我们达到了一个定量的理解的形成和动态的注入自旋缺陷。所提出的结果为金刚石自旋缺陷量子器件和其他固态量子系统的改进工程铺平了道路。
2017-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Fabrication of single nickel-nitrogen defects in diamond by chemical vapor deposition
采用化学气相沉积法在金刚石中制备了镍氮（NE_8）单缺陷中心。在745 nm连续激光激发下，室温下单个缺陷发射出波长为797 nm、线宽为1.5 nm的单光子脉冲。利用Hanbury-Brown和Twiss干涉仪研究了单中心光子的反聚束效应。共聚焦图像显示，在合成的薄膜中，每平方厘米约有10^6个光学活性位点。在人造金刚石中制备NE 8基单光子源对于光纤量子密码学具有重要意义。它也可以作为近场光学显微镜的理想点状光源。
2004-11-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Raman spectroscopic features of the neutral vacancy in diamond from ab initio quantum-mechanical calculations
采用量子力学从头计算方法研究了金刚石中一种常见的辐照缺陷--中性空位的振动光谱特性。拉曼光谱的计算分析通过耦合微扰Hartree-Fock/Kohn-Sham方法作为两个不同的缺陷自旋状态和缺陷浓度的函数。位于400-1300 cm-1光谱范围内，即低于原始金刚石在1332 cm-1处的一阶线的缺陷金刚石的实验拉曼特征被很好地再现，从而证实了在低损伤密度下，该光谱区域主要受非石墨sp3缺陷影响的图片。没有发现高于1332 cm-1的峰，因此排除了先前对中性空位的不同光谱特征（在1450和1490 cm-1处）的尝试性分配。引入的空位的缺陷晶格中的碳原子的热核运动的扰动进行了讨论的原子各向异性位移参数（ADP），计算从收敛的晶格动力学计算。
2016-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Diamond Micro-Chip for Quantum Microscopy
本文表征了一种含（111）取向NV集合的金刚石微芯片，展示了其在高分辨率量子显微镜中的应用，包括电流宽场成像和确定性转移，为可扩展量子显微镜提供了新途径。
2024-03-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Diamond compound refractive lenses for high energy Dark Field X-ray Microscopy
European Synchrotron Radiation Facility（欧洲同步辐射装置）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
提出金刚石复合折射透镜，在折射率与吸收之间取得优势平衡，且易于制造，通过高能暗场X射线显微镜实验验证其在33 keV下对厚铁基样品的成像能力。
2026-05-25 cond-mat.mtrl-sci
Photoinduced charge injection from shallow point defects in diamond into water
本研究利用含浅层氮-空位中心的金刚石表面，实现了可见光至594纳米波长范围内的光致电流产生，揭示了NV中心主导载流子注入，为金刚石-液体界面的光化学与自旋应用提供新途径。
2024-07-21 cond-mat.mtrl-sci
Electron configuration of the substitutional nitrogen defect in diamond
有人认为，金刚石中的取代氮与周围的三个碳原子键合，而不是四个。这个缺陷的电子配置是从以前的实验和理论考虑推导出来的。值得注意的是，1344 cm-1谱带是取代氮的特征，与氮的同位素变化无关，但取决于碳的同位素变化。如果氮与周围的四个碳结合，那么已经建立的NV中心应该是不稳定的。另外，单取代氮原子的尺寸明显增大，表明氮原子中存在对电子，并利用简单的力常数模型对所提出的取代氮原子构型进行了验证.用2/3 C-C：1/3 C=C代替C-N的力常数，得到1344 cm-1谱带。
2014-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Density-functional theory study of the interaction between NV$^{-}$ centers and native defects in diamond
本研究结合量子嵌入结果与密度泛函理论计算，量化了金刚石本征缺陷对NV$^{-}$色心的应变及电场影响范围，并提出通过测量多个邻近NV$^{-}$色心判定缺陷类型与电荷态的方法。
2025-07-30 cond-mat.mtrl-sci
A defect in diamond with millisecond-scale spin relaxation time at room temperature
Princeton University（普林斯顿大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；US Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；University of Iowa（爱荷华大学）
本研究发现金刚石中WAR5缺陷在室温下具有0.97毫秒的自旋弛豫时间，并在4K时达到14.38分钟，同时展示了光学自旋极化和零声子线候选。
2026-03-07 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Multifrequency Nanoscale Impedance Microscopy (m-NIM): A novel approach towards detection of selective and subtle modifications on the surface of polycrystalline boron-doped diamond electrodes
在本文中，我们描述了纳米阻抗显微镜（NIM）的修改，即结合接触模式原子力显微镜与局部阻抗测量。假设的方法是基于多频电压扰动的应用，而不是标准的逐频分析，其中包括提供更省时和准确的测定所得的阻抗谱与高空间分辨率。基于阻抗谱分析与适当的等效电路，它是可能的映射表面电阻和接触电容。以多晶重掺硼金刚石（BDD）电极为研究对象。最近的研究表明，这种电极暴露于氧化环境中可能会导致终止类型的修改，因此它是描述BDD的电学和电化学性质的关键因素。我们已经成功地应用了多频NIM，这使我们能够证明，终止类型的修改是选择性的，并发生在具有特定的晶体取向的晶粒上的不同倾向。此外，我们的方法能够检测甚至微妙的亚微观表面异质性，创建作为各种氧化处理的结果，并将它们与晶界处硼的局部分布相关的表面异质性区分开来。
2018-11-14 cond-mat.mtrl-sci
New techniques for imaging and identifying defects in electron microscopy
晶体材料中的缺陷控制着材料的性能，它们的表征集中在我们优化性能的策略上。电子显微镜已成为我们理解缺陷结构及其相互作用的支柱，由于有益的空间分辨率和对比度机制，使直接成像的缺陷。这些缺陷存在于复杂的微观结构和化学环境中，需要结合实验方法进行完整的缺陷表征。在这篇文章中，我们描述了最近的进展和趋势的方法检查缺陷，使用扫描电子显微镜平台，其中几个新兴的方法提供了有吸引力的好处，例如，在相关的显微镜跨长度尺度和原位研究缺陷动态。
2019-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Strain broadening of the 1042-nm zero-phonon line of the NV- center in diamond: a promising spectroscopic tool for defect tomography
金刚石中带负电荷的氮空位（NV-）中心在许多量子应用中是有希望的候选者。在这里，我们研究中心的红外（IR）零声子线（ZPL）的分裂和加宽。我们开发了一个模型，这些影响，占光依赖的微观缺陷分布引起的应变。我们应用这个模型来解释所观察到的变化的IR ZPL形状与温度和光激发条件。我们确定了一个异常的温度依赖性的增宽机制和缺陷以外的替代氮中心显着有助于应变增宽。前一个结论表明在中心的单重态能级存在强的Jahn-Teller效应，后者表明加宽的主要来源尚未确定。这些结论对于理解该中心和金刚石量子器件的工程设计具有重要意义。最后，我们建议，红外ZPL可用作探测微观应变场和进行缺陷层析成像的灵敏光谱工具。
2017-01-19 cond-mat.mtrl-sci
Microscopic processes during ultra-fast laser generation of Frenkel defects in diamond
近年来，由于固态量子比特和传感器等新兴应用，将单原子缺陷工程化到宽带隙材料中已经成为一个有吸引力的领域。最简单的原子级缺陷是晶格空位，它通常是更复杂缺陷的组成部分，例如金刚石中的氮空位（NV）中心，因此需要了解空位的形成机制和精密工程。本文从理论和实验上研究了金刚石中空位-间隙对（Frenkel缺陷）的超快激光产生。该过程是由一组耦合速率方程的脉冲激光与材料的相互作用和非平衡动力学的载流子在脉冲期间和在唤醒。我们发现，通过结合双激子作为电子等离子体冷却的重组的弗伦克尔缺陷产生的模型提供了良好的协议与实验数据，再现了有效的非线性$\sim$ 40弗伦克尔缺陷产生相对于激光脉冲能量。
2021-05-25 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Imaging neutron radiation-induced defects in single-crystal chemical vapor deposition diamond at the atomic level
本文利用拉曼光谱和球差校正透射电镜等原子级表征手段，直接成像了单晶CVD金刚石在高通量快中子辐照下产生的点缺陷、哑铃形间隙缺陷及位错结构，揭示了缺陷聚集机制，为耐辐射金刚石材料开发提供了微观依据。
2025-03-12 cond-mat.mtrl-sci hep-ex physics.ins-det
Diamond chemical vapor deposition on optical fibers for fluorescence waveguiding
已经开发了一种用于在光纤端面上沉积金刚石晶体并将金刚石中的光学活性缺陷产生的荧光捕获到光纤中的技术。这封信详细介绍了金刚石在光纤上的生长和荧光从金刚石中的氮空位（N-V）色心通过光纤的传输。在化学气相沉积（CVD）生长过程中纳入的缺陷浓度的控制也被证明。这是发展基于金刚石中光学活性缺陷中心的光纤耦合单光子源的第一个关键步骤。
2004-11-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale imaging of antiferromagnetic domains in epitaxial films of Cr2O3 via scanning diamond magnetic probe microscopy
我们报道了用金刚石氮空位显微镜直接成像磁电外延Cr2O3薄膜中与反铁磁畴相关的边界磁化。我们发现了磁畴尺寸和结构晶粒尺寸之间的相关性，我们与畴形成过程。我们进行了场冷却，即，在存在磁场的情况下从高于Néel温度冷却到低于Néel温度，这导致选择两个另外简并的180度畴中的一个。由于Cr2O3膜中的弱寄生磁矩的塞曼能量（Zeeman energy），这种简并性的提升可以单独用磁场来实现，所述弱寄生磁矩源于缺陷和相对界面的边界磁化的不平衡。该边界磁化耦合到反铁磁序参量，使得能够选择其取向。纳米结构的Cr2O3薄膜的台面结构揭示了可逆的边缘磁状态与磁场的方向在现场冷却。
2023-01-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Statistical imaging of NV centers reveals clustered defect formation in diamond
CUNY- The City College of New York（纽约市立大学学院）；CUNY-Graduate Center（纽约市立大学研究生院）
本研究利用共振光致发光激发成像实现金刚石中NV色心的统计分析，发现其呈非泊松簇状分布，为金刚石缺陷研究及量子应用提供了可扩展方法。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Identification of nickel-vacancy defect in the photocurrent spectrum of diamond by means of \emph{ab initio} calculations
有一个连续的搜索固态自旋量子比特在室温下工作，激发在红外通信带宽。最近我们引入了磁共振光电探测（PDMR）技术来读取金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋态，这是一种在量子信息技术中有应用前景的技术。通过测量金刚石晶体的光电离谱，发现了两个未见报道的电离阈值。在相同的样品上，我们还观察到吸收和光致发光特征，其在文献中被识别为Ni相关缺陷。我们进行了\emph{ab initio}计算的光电离截面的镍分裂空位复合物（NiV）和N-相关的缺陷在其相关的电荷状态，并拟合这些缺陷的浓度测量的光电流光谱，这导致了一个令人惊讶的实验和计算的光谱之间的匹配。这项研究能够确定两个未知的电离阈值与NiV的两个受体水平。由于NiV的激发是在红外线中，从顺磁性NiV色心检测到的光电流是设计新型电读出量子比特的一种有前途的方法。
2018-04-20 cond-mat.mtrl-sci
Exploring the magnetic properties of individual barcode nanowires using wide-field diamond microscopy
条形码磁性纳米线通常在具有多于一种片段类型的单个主体中包括多层磁性结构。有趣的是，由于选择性功能化和层之间的新型相互作用，条形码磁性纳米线引起了人们的极大关注，特别是在生物工程领域。然而，在单个纳米线水平上分析它们的磁性仍然具有挑战性。在此背景下，在本文中，我们研究了在室温下在环境条件下的磁性纳米线的表征的基础上获得的磁性图像通过宽场量子显微镜与金刚石中的氮空位中心。因此，我们可以提取的临界磁性能，如饱和磁化强度和磁化率，单根纳米线通过比较实验结果与微磁学模拟。这项研究开辟了一个通用的表征方法，适合于个别磁性纳米线的可能性。
2023-02-21 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin-orbit coupling and Jahn-Teller effect in $T_d$ symmetry: an \textit{ab initio} study on the substitutional nickel defect in diamond
本文通过杂化密度泛函理论分析$T_d$对称性下自旋-轨道与Jahn-Teller效应，应用于金刚石替位镍缺陷，计算精细结构与磁光参数，证实2.56和2.51 eV光学中心归属，并揭示光学跃迁及ODMR机制。
2023-09-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Phonon- and defect-limited electron and hole mobility of diamond and cubic boron nitride: a critical comparison
金刚石和立方氮化硼（cBN）是两种最有前途的超宽带隙（UWBG）半导体材料，在大功率高频电子器件中有着广泛的应用前景。然而，尽管对这些材料中的载流子输运进行了广泛的研究，但它们报道的载流子迁移率存在很大的差异。在这项工作中，我们调查的声子和掺杂剂有限的电子和空穴迁移率的cBN和金刚石原子第一性原理计算，以了解其基本上限载流子输运。我们的研究结果表明，虽然声子限制的电子迁移率cBN和金刚石之间是可比的，空穴迁移率是显着较低的cBN由于其较重的空穴有效质量。此外，尽管晶格散射在低掺杂下主导迁移率，但由于高掺杂剂电离能，中性杂质散射在较高掺杂剂浓度下成为主导散射机制。我们的分析提供了关键的见解，并揭示了金刚石和cBN的载流子迁移率作为掺杂和温度的函数在高功率电子器件中的应用的固有上限。
2021-08-09 cond-mat.mtrl-sci
Nature of point defects in bulk hexagonal diamond
Advanced Technology Research Institute of Taihu Photon Center, School of Physical Science and Technology, Suzhou University of Science and Technology（太湖光子中心先进技术研究院，苏州科技大学物理科学与技术学院）
研究通过第一性原理计算揭示了体心六方金刚石中内在缺陷、外来掺杂剂及缺陷复合体的性质，发现VC主导导电性，硼作为良性的受主体增强p型导电性，而氮和磷作为有效的施主体增强n型导电性，同时VC、MgC和XV缺陷复合体在带隙内具有多种自旋和电荷状态，具有作为色心宿主qubit的潜力。
2026-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Muonium as a probe of point defects in type-Ib diamond
ISIS Neutron and Muon Facility, STFC Rutherford Appleton Laboratory（STFC 卢瑟福阿普顿实验室 ISIS 中子与缪子设施）；National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)（量子科学技术研究开发机构）；Department of Materials Science, Tohoku University（东北大学材料科学系）
研究muon在类型Ib金刚石中的扩散特性，用于探测氮空位中心及 substitutional 氮原子，通过muon自旋弛豫机制分析缺陷相互作用。
2026-03-26 cond-mat.mtrl-sci
Evidence for Primal sp2 Defects at the Diamond Surface: Candidates for Electron Trapping and Noise Sources
金刚石材料是越来越多的先进技术示范的核心，从高功率电子到具有前所未有的灵敏度的纳米级量子生物成像。然而，金刚石在这些应用中的充分利用通常受到金刚石材料表面的不受控制的性质的限制，金刚石材料表面遭受费米能级钉扎并且承载显著密度的电磁噪声源。尽管金刚石晶体表面具有无氧化物和空气稳定的性质，但这些问题仍然存在，这应该是功能化和化学工程的理想候选者。在这项工作中，我们揭示了一个家庭的以前未识别的和几乎无处不在的原始表面缺陷，我们分配到不同的重建表面空缺。这些缺陷的密度与X-射线吸收光谱定量，其能量结构由从头计算阐明，并直接测量其对近表面量子探针的影响。随后的从头计算能带弯曲从这些缺陷表明，它们是费米能级钉扎在大多数金刚石表面的来源。最后，调查进行了广泛的生长后的表面处理，并得出结论，没有一个可以再现地减少这种缺陷密度低于费米钉扎阈值，使这种缺陷的主要候选人作为近表面量子探针的退相干限制噪声的来源。
2018-07-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Sulfur in diamond and its effect on the creation of nitrogen-vacancy defect from \textit{ab initio} simulations
本文通过杂化密度泛函理论计算金刚石中硫缺陷的形成能与电荷转变能级，揭示了替位硫与硫-空位复合体的竞争对NV中心产生效率的限制机制，并发现两者捕获间隙氢可促进化学气相沉积金刚石中NV中心的形成。
2025-03-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fingerprinting defects in diamond: Partitioning the vibrational spectrum
在这项工作中，我们提出了一个计算方案，用于隔离固体中的缺陷的振动光谱。通过量化原子投射振动光谱的缺陷特征，识别出贡献原子并确定其贡献的强度。这种方法可以用来系统地改进声子碎片的计算。更有趣的是，直接使用缺陷原子的原子投影振动光谱，可以以较低的计算成本获得收敛良好的缺陷光谱，这也包含了主机晶格相互作用。使用金刚石作为主机材料，四个测试用例的缺陷，每一个呈现出明显不同的振动行为，被认为是：一个重取代掺杂剂（Eu），两个本征缺陷（中性空位和分裂间隙），和带负电荷的N-空位中心。重掺杂剂和分裂填隙本本地化模式在低和高的频率，分别显示与主机光谱几乎没有重叠。相比之下，中性空位和N-空位中心显示出对主体光谱的上光谱范围的广泛贡献，使得它们的提取具有挑战性。独立的振动行为，主要的原子有助于缺陷光谱可以清楚地确定。它们的原子投影谱的简化导致孤立的缺陷谱。
2020-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Nanoscale Sensing Using Point Defects in Single-Crystal Diamond: Recent Progress on Nitrogen Vacancy Center-Based Sensors
固体中的单个发光点缺陷，即所谓的色心，是原子大小的量子系统，能够以纳米级的空间分辨率进行传感和成像。在这篇综述中，我们介绍了纳米级传感的基础上个别氮空位（NV）中心的钻石。我们讨论了该领域的两个主要挑战：第一，在单晶金刚石表面以下小于10 nm的高度相干的浅NV中心的创建。第二，尖端状光子纳米结构的制造，使有效的荧光收集，并可用于扫描探针成像的基础上的色心与纳米级的分辨率。
2017-05-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Comparison of different methods of nitrogen-vacancy layer formation in diamond for widefield quantum microscopy
金刚石衬底近表面氮空位（NV）缺陷薄层是基于NV的宽场磁显微镜的主要研究对象，在物理学、地质学和生物学等领域有着广泛的应用。存在几种方法来产生这种NV层，其通常涉及通过生长和/或照射将氮原子（N）和空位（V）结合到金刚石中。虽然已经有详细的研究个别方法，直接并排实验比较所产生的磁灵敏度仍然缺失。在这里，我们描述了在室温和低温下，通过三种不同的方法制备的$\approx100$ nm厚的NV层：1）富N高压高温（HPHT）金刚石的低能碳照射，2）$δ$掺杂的化学气相沉积（CVD）金刚石的碳照射，3）低能N $^+$或CN $^-$注入到无N CVD金刚石中。尽管每种方法之间存在显著差异，但我们发现最好的HPHT样品产生相似的磁灵敏度（平均在2倍以内），对于直流磁场，$δ$ ~ $μ$ T Hz $^{-1/2}$，对于交流磁场，$<100$ ~nT Hz $^{-1/2}$（对于$400$ ~nm~ $\times~400$ ~nm像素），而N $^+$和CN $^-$注入的样品表现出差2-5倍的灵敏度，在室温和低温下。我们还研究了各自的方法所造成的晶格应变，并讨论了宽场NV成像的影响。每种方法的优点和缺点，以及未来可能的改进，进行了讨论。这项研究强调，低能量辐照的HPHT金刚石，尽管其相对简单，成本低，是一种有竞争力的方法，以创建薄NV层的宽场磁成像。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mapping the local spatial charge in defective diamond by means of NV sensors - A "self-diagnostic" concept
电活性缺陷对基于宽带隙材料（例如金刚石）的电子器件的性能具有显著影响。这个问题在金刚石科学和技术中是普遍存在的，因为在不同类别的基于金刚石的器件（探测器、功率二极管、晶体管）的有源区中存在电荷陷阱，由于空间电荷的形成、记忆效应和与辐射损伤相关的电子响应的退化，可以显著影响它们的性能。在金刚石中最常见的缺陷中，氮空位（NV）中心具有独特的自旋特性，这使得在纳米尺度下能够实现高灵敏度的场传感。在这里，我们表明，NV合奏可以成功地利用执行直接的本地映射的内部电场分布的石墨-金刚石-石墨结表现出的电性能为主的陷阱和空间电荷相关的传导机制。通过执行光学检测的磁共振测量，我们在不同的偏置电压下执行了有源区中的电场的精确读出和空间映射。在这种新的“自我诊断”的方法中，缺陷复合物不仅代表有害的空间电荷效应的来源，而且也是一个独特的工具，直接调查他们，通过提供实验证据的传导机制，在以前的研究中只能间接推断的基础上，传统的电气和光学表征。
2017-06-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
