Fabrication of thin diamond membranes by Ne$^+$ implantation
本文提出用Ne$^+$注入替代He$^+$ smart-cut制备薄金刚石膜，通过实验与SRIM模型确定临界损伤阈值，使所需离子注量降低十倍并能在相同能量下获得更薄膜。
2023-05-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Efficient fabrication of high-density ensembles of color centers via ion implantation on a hot diamond substrate
本文提出在热金刚石衬底上进行高注量离子注入，提高空位密度阈值，从而高效制备高密度NV和MgV色心集合，用于量子传感。
2025-05-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Chromium single photon emitters in diamond fabricated by ion implantation
可控制造和识别明亮的单光子发射体是量子光学和材料科学的核心。在这里，我们展示了一个控制工程的铬明亮的单光子源在大块金刚石离子注入。Cr中心具有全偏振发射，ZPL中心在749 nm，FWHM为4 nm，寿命极短，约为1 ns，计数率为500 kcounts/s。通过结合极化测量和振动光谱，中心的模型已被提出由一个间隙铬原子与沿其中一个方向的跃迁偶极子<100>。
2010-01-25 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Finite element analysis of ion-implanted diamond surface swelling
我们目前的实验结果和数值有限元分析来描述由于在金刚石衬底进行MeV离子注入的埋石墨状夹杂物的创建表面肿胀。数值预测相比，实验数据MeV的质子和氦的质子，扫描离子微束进行。在这两种情况下，用白光干涉轮廓术测量溶胀值。模拟是基于一个模型，该模型占整个厚度的材料中的机械参数的变化，作为离子类型，注量和能量的函数。表面变形轮廓和内部应力分布进行了分析，数值结果被认为是充分拟合实验数据。结果使我们能够得出结论的结构损伤机制在金刚石不同MeV的离子束。
2016-08-29 cond-mat.mtrl-sci
High yield creation of germanium vacancy centers in diamond by focused ion beam implantation and high temperature annealing
Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）
本文通过聚焦离子束注入和高温退火，在金刚石中高效局域创建锗空位中心，实现深度5.5-30 nm内单中心创建，形成产率最高达33%。
2026-06-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nitrogen-vacancy centers created by N$^+$ ion implantation through screening SiO$_2$ layers on diamond
我们报告的离子注入技术，利用由SiO $_2$制成的屏蔽掩模来控制深度分布和剂量。通过适当选择屏蔽层的厚度，该方法充分抑制了离子沟道，将NV密度最高的位置带到表面，有效地降低了三个数量级以上的剂量。在能量为10 keV、剂量为10 $^{11}$ cm $^2$的标准离子注入系统中，在没有额外刻蚀工艺的情况下，我们在靠近表面处产生了单个NV中心，相干时间为几十个$μ$ s。
2017-03-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Direct fabrication and IV characterization of sub-surface conductive channels in diamond with MeV ion implantation
在本工作中，我们报告的sp2碳微通道埋在单晶金刚石的导电机制的调查。该结构的制造与一种新的技术，采用MeV聚焦离子束破坏金刚石结合可变厚度的掩模。该过程显著地改变了靶材料的结构特性，因为离子核能损失主要在离子范围的末端（几微米）诱导碳从sp3到sp2状态的转化。此外，在样品上放置具有增加厚度的掩模，可以在其端点处调节通道深度，从而允许其与表面电连接。在室温下用1.8 MeV He+离子注入单晶HPHT金刚石样品，注入能量密度设定在2.1 × 10^16 - 6.3 × 10^17离子cm^-2范围内，确定了3 μ m的掩埋微通道的形成。在通道的端点处沉积金属接触之后，进行电表征，测量在80-690 K范围内的可变温度下的I-V曲线。可变范围跳跃模型被用来拟合欧姆制度的实验数据，允许的特性参数，如在费米能级的局域态密度的估计。得到的值为5.5x10^17态cm-3 eV-1，与文献中先前报道的值令人满意地一致。在中等电场下，电流和电压之间的幂律依赖性与空间电荷限制机制一致。
2016-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional localization of spins in diamond using 12C implantation
我们证明了一个单一的氮空位（NV）在金刚石中心的三维本地化相结合的氮掺杂生长过程中与生长后12 C注入技术，促进空位形成的晶体。我们表明，NV密度可以控制注入剂量，而不需要增加氮掺入。通过纳米级孔径注入大剂量的12 C，我们可以将单个NV中心定位在（~180 nm）**3的体积内的确定性位置，同时可重复地保持相干时间（T2）> 300 μs。我们的方法能够将NV中心集成到金刚石纳米结构中，以实现可扩展的自旋传感器件以及由光子和声子介导的相干自旋耦合。
2014-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spectrally stable nitrogen-vacancy centers in diamond formed by carbon implantation into thin microstructures
金刚石中的氮空位中心（NV）具有特殊的自旋相干性和光学自旋初始化和读出的便利性，越来越多地用作量子传感器和量子网络的构建块。在这些应用中采用光子结构以使光子收集效率最大化通常导致发射器的光学线宽变宽，这通常通过氮离子注入产生。研究表明，只有天然氮原子有助于光学相干的NV，一个自然的结论是完全避免注入，或取代氮注入的空位产生的替代方法。在这里，我们表明，注入碳离子产生一个相当的密度的NV注入氮离子，它导致在NV人口与窄的光学线宽和低电荷噪声水平，即使在薄的金刚石微结构。对于薄于5 $μ$ m的结构，我们测量了150 MHz的中值NV线宽，没有增加线宽到最薄测量结构1.9 $μ$ m的趋势。我们提出了一种改进的NV创建程序，其中的注入后，而不是之前的金刚石制造过程中进行，并确认我们的结果在多个样品注入不同的离子能量和注量。
2022-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Vertical distribution of nitrogen-vacancy centers in diamond formed by ion implantation and annealing
进行蚀刻实验，其揭示通过离子注入和退火在靠近表面处产生的金刚石中的光学活性氮空位（NV）中心的垂直分布。的NV分布强烈地依赖于原生氮浓度，和中性和带负电荷的NV峰的光谱测量提供证据，在较低的氮材料中的电子耗尽效应。这些结果对于潜在的量子信息和磁力计设备是重要的，其中NV中心必须被创建在非常接近于用于耦合到光学结构的表面处。
2009-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
An upper limit on the lateral vacancy diffusion length in diamond
离子注入被广泛用于改变材料的结构、电学和光学性质。通过适当的掩模，这种技术可以用来定义纳米和微米结构。然而，根据所使用的掩模的类型，实验已经表明，可以推断出与空位相关的衬底修改距离用于限定注入区的掩模的边缘数十微米。这可能是由于在退火过程中从注入区域的空位的快速扩散，或者是由于与掩模边缘周围的离子散射相关的几何效应。对于量子和单原子器件，杂散离子损伤可能是有害的，必须最小化。为了轮廓的分布的重结晶引起的损伤，我们已经使用氮空位色心作为一个敏感的标记的空位浓度和分布后MeV的He离子注入到金刚石和退火。结果表明，氦原子注入通过掩模夹在金刚石表面的散射掩模下的距离在几十微米的范围内从掩模边缘。通过光刻定义和沉积的掩模注入，掩模和衬底之间没有间隔，显着减少散射<5 μ m，但不消除它。这些散射距离远大于理论估计的空位扩散距离260 nm在类似的条件下。本文表明，扩散，退火时，由离子注入金刚石中产生的空位是有限的，从掩模的边缘几十微米的空位的外观是由于散射效应。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Generation of Tin-Vacancy Centers in Diamond via Shallow Ion Implantation and Subsequent Diamond Overgrowth
金刚石中的IV族色心由于其作为光学活性固态自旋量子比特的潜力而引起了人们极大的兴趣。此类发射器的未来利用需要开发与高质量纳米光子器件兼容的精确现场控制发射器生成技术。这项任务是更具挑战性的颜色中心与大IV族杂质原子，这是有希望的，因为它们的预测长自旋相干时间没有稀释冰箱。例如，当应用于带负电荷的锡空位（SnV $^-$）中心时，常规的位点控制色心产生方法要么损坏金刚石表面，要么产生具有无法解释的特征的体光谱。在这里，我们展示了一种新的方法来产生网站控制的SnV $^-$中心与干净的散装光谱。我们通过薄的注入掩模浅注入Sn离子，随后通过化学气相沉积生长一层金刚石。这种方法可以推广到其他色心，并与量子纳米光子器件的制作相结合。
2020-02-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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
CVD-growth of ultra-pure diamond, generation of NV centers by ion-implantation and their spectroscopic characterization for quantum technological applications
摘要近年来，金刚石中的氮空位（NV）中心在量子技术中的应用引起了人们的广泛关注。NV心系综的确定性产生可以促进量子传感、多体量子系统、多体纠缠等方面的研究，本文报道了金刚石中NV心的确定性产生及其表征的全过程：通过化学气相沉积（CVD）生长金刚石薄膜、离子注入和共焦显微镜对缺陷心的光谱表征。本文介绍了一种用于制备单晶同质外延金刚石薄膜的微波辅助化学气相沉积装置。薄膜的制备与最小化的氮浓度，这是通过光致发光测量证实。我们展示了一种原位超高真空（UHV）注入和加热过程中使用一种新的实验装置创建NV中心。第一次热注入已被证明可以防止表面充电效应。我们没有观察到由于超高压加热导致的石墨化。通过优化注入参数，可以以精确的方式注入NV中心。我们提出了大面积映射的样品，以确定中心的分布和描述的光谱技术的中心的表征。减少由环境噪声引起的退相干对于量子技术中的许多应用是至关重要的。我们证明了改善的相干时间T_{2}的NV自旋通过抑制它们与周围的自旋浴使用强大的动态去耦序列的相互作用。
2019-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Single-photon-emitting optical centers in diamond fabricated upon Sn implantation
本文报道了单晶金刚石中锡离子注入和退火后发光缺陷的形成。的相关光谱特征的光学中心（在593.5 nm，620.3 nm，630.7 nm和646.7 nm处的发射峰）归因于Sn相关的缺陷，通过其光致发光（PL）强度与注入注量的相关性。通过Hanbury-Brown-Twiss干涉测量法获得了Sn相关缺陷的二阶自相关发射函数，并对Sn相关缺陷进行了识别和表征。作为激发激光功率的函数的单光子发射制度的调查显示，锡相关的缺陷是基于三能级系统与6 ns的辐射衰减寿命。在一小部分的研究中心，闪烁的PL发射的观察是一个黑暗状态的存在表示。此外，从激发辐射的偏振与约45%的对比度的吸收依赖性进行了测量。这项工作揭示了与金刚石中的IV族杂质相关的新光学中心的存在，其具有与已知的Si-V和Ge-V发射体相似的光物理性质，从而从基本和应用的角度提供了感兴趣的结果。
2017-09-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin coherence and depths of single nitrogen-vacancy centers created by ion implantation into diamond via screening masks
我们的特点单一的氮空位（NV）的中心创建10 keV的N+离子注入到金刚石通过薄SiO $_2$层作为屏蔽掩模。尽管与用于产生近表面NV中心的标准加速能量（< 5 keV）相比具有相对高的加速能量，但屏蔽掩模将N $^+$离子的分布改变为在金刚石表面处达到峰值[Ito等人，应用物理信函110，213105（2017）]。我们研究的NV电子自旋的相干时间和它们的深度之间的关系，表明大部分的NV中心位于10 nm内的表面，与蒙特卡罗模拟一致。通过噪声谱、表面形貌和X射线光电子能谱学评估了表面对NV自旋相干时间的影响。
2020-06-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin properties of dense near-surface ensembles of nitrogen-vacancy centres in diamond
本文研究了氮离子注入金刚石近表面氮空位（NV）中心形成的致密层的自旋性质。光学检测的磁共振对比度和线宽，自旋相干时间，和自旋弛豫时间，测量作为注入能量，剂量，退火温度和表面处理的函数。为了跟踪存在的损伤和表面相关的自旋缺陷，我们进行原位电子自旋共振光谱通过双电子-电子共振和交叉弛豫光谱的NV中心。我们发现，对于能量（$4-30$ ~keV）和剂量（$5\times10^{11}-10^{13}$ ~ions/cm $^2$）的范围内考虑，NV的自旋性质主要是由剂量通过残留的重结晶诱导的顺磁缺陷，但由此产生的磁灵敏度基本上是独立的剂量和能量。然后，我们表明，磁灵敏度显着改善高温退火在$\geq1100^\circ$ C。此外，除了自旋弛豫时间，这是显着减少的自旋性质没有显着影响氧退火。最后，通过核磁共振测量确定平均NV深度，在4-6 keV注入能量下给出$\approx10$ ~ 17 nm。这项研究揭示了为高灵敏度传感和成像应用创造近表面NV中心密集层的最佳条件。
2018-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Generation of single colour centers by focussed nitrogen implantation
用氮离子注入法在金刚石中产生了单缺陷中心。用单缺陷中心荧光显微镜对缺陷进行了研究。光学和EPR谱明确地表明，所产生的缺陷是氮空位色心。氮通量的分析与氮空位中心的数目的测定一起产生，平均每个缺陷中心需要注入两个2 MeV的氮原子。
2005-05-03 cond-mat.mtrl-sci
Direct fabrication of three-dimensional buried conductive channels in single crystal diamond with ion microbeam induced graphitization
我们报道了一种利用聚焦MeV离子在单晶金刚石中制作三维埋石墨微通道的新方法。使用具有亚微米级梯度厚度的注入掩模允许形成以可控深度嵌入绝缘基质中的导电通道。特别地，在其端点处的通道深度的调制允许通道终端的表面接触，而不需要进一步的制造阶段。在目前的工作中，我们描述了样品掩蔽，其中包括在样品表面上的半球形金接触的沉积，然后通过MeV离子注入。由于原始和非晶或石墨化金刚石的密度之间的显着差异，掩埋通道的形成对金刚石结构具有相关的机械效应，导致局部表面溶胀，这已经用干涉轮廓术和原子力显微镜测量。然后用两点探针站测量掩埋通道的电特性：给出了明确的证据，即只有通道的端点与表面电连接，而其余的通道延伸到表面以下。IV测量也定性调查的注入注量和退火的函数的通道的电性能。
2016-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Can surface-transfer doping and UV irradiation during annealing improve shallow implanted Nitrogen-Vacancy centers in diamond?
据报道，如果费米能级在注入后的退火步骤期间升高或降低，则离子注入的NV中心的转换产率和相干时间提高。在这里，我们调查是否表面转移掺杂和表面充电，紫外线，可以利用诱导这种效果。我们分析的相干时间和产量的NV中心离子注入和退火，在退火过程中施加各种条件。具体而言，我们研究了用镍，钯或氧化铝涂覆金刚石，以诱导正表面转移掺杂，以及在紫外线照射下退火以引发空位充电。金属涂覆的金刚石显示出比其他样品高两倍的形成产率。相干时间$T_2$在所研究的样本之间的变化小于2倍。这两种效应都弱于以前的报告，这表明更强的修改能带结构是必要的，以找到一个显着的效果。UV照射对产率和$T_2$倍无影响。
2020-07-30 cond-mat.mtrl-sci
High pressure, high temperature molecular doping of nanodiamond
作为新兴量子技术基础的钻石色心的发展受到离子注入产生适当缺陷的需要的限制。我们提出了一种不需要离子注入的多功能掺杂金刚石的方法，通过合成掺杂的无定形碳前驱体和在高温高压下的转变。为了探索这种自下而上的色心产生方法，我们合理地在纳米金刚石中产生硅空位缺陷，并研究它们用于光学压力计量。此外，我们表明，这个过程可以产生惰性气体缺陷金刚石从典型的惰性氩气压力介质，这可以解释在其他高压实验中观察到的滞后效应和一些陨石纳米金刚石中的惰性气体的存在。我们的研究结果说明了一个一般的方法来产生钻石色心，并可能使设计缺陷的控制产生。
2018-04-01 cond-mat.mtrl-sci
Large-Size Free-Standing Single-crystal b-Ga2O3 Membranes Fabricated by Hydrogen Implantation and Lift-Off
在本文中，我们已经展示了大尺寸的独立的单晶b-Ga_2 O_3纳米材料的氢注入和剥离过程中直接从MOCVD生长的b-Ga_2 O_3外延膜上的天然衬底。利用蒙特卡罗模拟对最佳注入条件进行了模拟，以获得在所需深度处具有窄离子分布的高氢浓度。使用两个具有不同取向（[100]和[001]）的生长b-Ga 2 O 3样品，并成功地产生1.2 μ m厚的b-Ga 2 O 3 NM，而没有任何物理损坏。然后将这些b-Ga 2 O3纳米材料转印到刚性和柔性衬底上，例如SiC衬底和聚酰亚胺衬底。进行各种材料表征以研究剥离之前和之后的晶体质量、表面形态、光学性质、机械性质和带隙，并揭示保持了良好的材料质量。这一结果提供了几个好处，因为b-Ga 2 O3纳米材料的厚度、掺杂和尺寸可以完全控制。此外，更先进的基于b-Ga 2 O3的NM结构，例如（AlxGa 1-x）2 O3/Ga 2 O3异质结构NM可以直接从其体外延衬底产生，因此该结果为实现可以构建在各种衬底和平台上的高性能基于b-Ga 2 O3 NM的电子学和光电子学提供了可行的路线。
2021-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Single Color Centers Implanted in Diamond Nanostructures
单色心光学金刚石纳米结构材料加工技术的发展是量子科学与技术中的一个重要问题。在这项工作中，我们提出了离子注入和自上而下的金刚石纳米纤维在两种情况下的组合：金刚石纳米柱和金刚石纳米线。第一种器件由“浅”注入（~ 20 nm）组成，以在金刚石晶体的顶面附近产生氮空位（NV）色心。然后通过在金刚石表面中干法蚀刻规则的纳米柱阵列来机械地隔离各个NV中心。光子反聚束测量表明，高产量（>10%）的设备包含一个单一的NV中心。第二个器件展示了单个NV中心到预制金刚石纳米线中的“深”（~1μm）注入。纳米线几何形状的高单光子通量，结合超纯金刚石的低背景荧光，使我们能够维持强光子反聚束，即使在高泵浦功率。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coupling of silicon-vacancy centers to a single crystal diamond cavity
研究了硅空位（SiV）中心与单晶金刚石微盘腔的光学耦合。该腔体是由离子注入和电化学剥离，然后由同质外延过生长所产生的单晶金刚石膜。测量了与SiV中心的零声子线（ZPL）光谱重叠并表现出品质因数~2200的回音壁模式。与腔外膜中的SiV中心相比，观察到腔中SiV中心的寿命从1.8 ns减少到1.48 ns。这些结果对于开发金刚石集成光子学网络至关重要。
2011-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond
掺杂磷（n型）金刚石中色心的受控产生可以促进量子光子器件的电子集成，例如在电注入时操作的单光子源。硅空位（SiV）色心是很有前途的候选者，但迄今为止，在磷掺杂金刚石单光子发射的条件还没有调查。在这项研究中，我们创建SiV色心在金刚石样品中具有不同的磷浓度，并显示由于掺杂，氮杂质和离子注入诱导的缺陷的荧光背景可以显着抑制。在低注量硅离子注入下，在掺磷金刚石中获得了单光子发射体。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Fabrication of Thin, Luminescent, Single-crystal Diamond Membranes
单晶金刚石膜的形成是在这种材料中制造高质量光学腔的重要先决条件。使用剥离工艺制造的金刚石膜涉及通过离子注入产生损伤层，通常遭受残留离子损伤，这严重限制了它们用于光子结构的有用性。目前的工作表明，战略蚀刻去除最有缺陷的材料产生薄的，单晶金刚石膜，具有较强的光致发光和拉曼信号接近的单晶体金刚石。这些光学活性膜可以形成制造高质量光学谐振器的起点。
2011-08-03 cond-mat.mtrl-sci
Impact of helium ion implantation dose and annealing on dense near-surface layers of NV centers
本研究探究了氦离子注入剂量与退火温度对金刚石近表面NV中心层的影响，发现将注入剂量增至三倍可提升28%磁灵敏度，而1100°C额外退火仅提升6.6%，且更高剂量有望提升达70%。
2022-04-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Micro and nano-patterning of single-crystal diamond by swift heavy ion irradiation
本文介绍了快重离子辐照单晶金刚石引起结构损伤的实验数据和分析。图案化的掩埋结构损伤示出生成，通过膨胀，在样品表面上的镜像图案，这在很大程度上保持无损伤。虽然广泛的结果可用于轻离子极化，这种效果是在这里报道的第一次在重离子制度，其中一个完全不同的输入参数范围（在离子种类，能量，阻止功率等方面）。可用于定制辐照。所选离子种类为Au和Br，能量范围为10-40 MeV。所观察到的图案，其特征在于轮廓和原子力显微镜，报告在一系列的模型实验，其中示出的溶胀模式范围从几纳米到200纳米以上。此外，一个系统的唯象建模，其中表面溶胀测量相关的埋晶体损伤。与轻离子迁移的数据进行了比较，表明与所提出的模型具有良好的兼容性。在这项工作中提出的建模可以是有用的微图案化的表面在单晶金刚石的设计和实现，允许生成高度定制的结构，通过结合适当选择的照射参数和掩模。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Increasing the coherence time of single electron spins in diamond by high temperature annealing
通过离子注入产生的金刚石中的带负电荷的氮空位（NV $^-$）中心通常显示出与晶体生长期间产生的NV不同的性质。我们观察到，与“天然”NVs相比，由四种不同能量（30-300 keV）的氮离子产生的NVs显示出短得多的电子自旋相干时间$T_2$，并且我们可以发现$T_2$对注入能量的任何依赖性。此外，我们还发现，约10%的人显示从NV $^-$到NV $^0$的转换。我们开发了一种方法，以增加$T_2$的单NV $^-$中心的退火样品在$t=1200 {\circ}$ C，而在同一时间的分数的NV显示放电大大减少。
2010-12-01 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Surface transfer doping of hydrogen-terminated diamond probed by shallow nitrogen-vacancy centers
该研究利用不同注量氮离子注入在氢终端金刚石表面下制备浅层NV中心，通过光致发光、ODMR和表面导电性测量，揭示能带弯曲不仅由功函数差决定，还受表面受主有限密度制约，为氢终端金刚石电子器件设计提供关键依据。
2024-08-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A new, enhanced diamond single photon emitter in the near infra-red
金刚石中的单个色心在近期的量子技术包括量子密钥分发和计量学中是有希望的。在这里，我们展示了一个新的色心，它具有超过两个主要的停留中心，即氮空位和NE8中心的电子物理性能的制造。新的中心是利用聚焦离子束注入镍到孤立的化学气相沉积金刚石微晶。室温下的光致发光研究表明，在近红外区域的中心在768 nm的寿命短至2 ns的窄发射。它的聚焦离子束兼容性为纳米分辨率的制造和集成量子光子器件的实现开辟了前景。初步研究表明，这个中心来自一个尚未表征的镍硅复合物。
2009-02-18 cond-mat.mtrl-sci
A Germanium-Vacancy Single Photon Source in Diamond
金刚石色心是量子密码学和量子信息处理的理想固体平台。对于这些应用，需要具有高强度和可再现制造方法的单光子源。在这里，我们报告了一种新的色心，由锗（Ge）和空位（V）组成，并命名为GeV中心，它具有尖锐和强烈的光致发光带，在室温下在602 nm处的零声子线。我们证明了这个新的色心作为一个单一的光子源。离子注入和化学气相沉积技术都可以在金刚石中制造GeV中心。第一性原理计算揭示了GeV中心的原子晶体结构和能级。
2015-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Efficient creation of shallow NV$^-$ ensembles by high-angle ion implantation
The University of Tokyo（东京大学）；National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（国立产业技术综合研究所）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）
本文通过高角度离子注入（>60°）提高浅层NV$^-$中心的制备效率，实现近10%产率和低于10nm深度，且相干性质优异，可用于检测范德瓦尔斯材料中的核自旋。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fluorine-based color centers in diamond
我们报告的创建和高纯度的金刚石基板的荧光特性的F离子注入和随后的热退火的表征。它们的室温光致发光发射由558 nm处的弱发射线和600 - 750 nm光谱范围内的强带组成。在液态He温度下的表征揭示了在600 - 670 nm光谱范围内存在一组结构化的谱线。我们讨论了不同的实验参数，如工作温度和激发波长的F相关的光学中心的发射特性的依赖关系。的相关性的发射强度与F注入的注量，和独家观察上述光谱特征的F-注入和退火的样品提供了一个强有力的指示，所观察到的发射功能相关的稳定的含F缺陷的复杂的金刚石晶格。
2020-12-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Extending spin coherence times of diamond qubits by high temperature annealing
金刚石中带负电荷的氮空位（NV $^-$）缺陷的自旋是固态量子比特最有希望的候选者之一。含有这些自旋携带缺陷的量子器件的制造需要位置受控地引入具有优异性质（诸如光谱稳定性、长自旋相干时间和稳定负电荷状态）的NV $^-$缺陷。氮离子注入和退火使得NV $^-$自旋量子比特的定位具有高精度，但迄今为止，以这种方式产生的量子比特的相干时间很短，可能是因为存在残余辐射损伤。在目前的工作中，我们表明，在1000 $^\circ$ C的高温退火允许2毫秒的相干时间在室温下实现。这些结果是在高纯度、99.99% $^{12}$ C富集的单晶化学气相沉积金刚石中由还原产生的NV $^-$缺陷获得的。我们讨论这些显着长的相干时间的背景下，剩余缺陷自旋的热行为。[发表于Physical Review B { \bf{88} }，075206（2013）]
2013-09-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Plasma treatments and photonic nanostructures for shallow nitrogen vacancy centers in diamond
我们研究了等离子体处理，特别是0 V偏压，潜在的低损伤O $_2$等离子体以及偏置Ar/SF $_6$ /O $_2$等离子体对浅，负氮空位（NV $^-$）中心的影响。我们使用纯电感耦合的0 V偏压等离子体进行点火和维持。为此，我们对高纯度化学气相沉积单晶金刚石（SCD）的表面进行预处理。随后，我们通过注入和退火产生$\sim$ 10 nm深的NV $^-$中心。在退火的SCD表面上，我们制造了纳米柱结构，其有效地波导浅NV $^-$的光致发光（PL）。表征这些纳米柱内的单个NV $^-$，我们发现Ar/SF $_6$ /O $_2$等离子体处理淬灭NV $^-$ PL，即使考虑到离子注入后的退火和清洁步骤去除任何表面终止。相比之下，对于我们的0 V偏压以及偏压O $_2$等离子体，我们观察到稳定的NV $^-$ PL和来自光子纳米结构的低背景荧光。
2019-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Characterization of Three-Dimensional Microstructures in Single Crystal Diamond
本文报道了用聚焦离子束（FIB）辅助剥离技术在单晶金刚石中制备三维微结构的拉曼和光致发光特性。该方法基于MeV离子注入以产生掩埋的可蚀刻层，随后进行FIB图案化和选择性蚀刻。在这种微结构的应用中，高品质单晶金刚石的性能是最相关的，制造过程后的残余损伤代表了一个关键的技术问题。拉曼和光致发光特性的结果表明，部分扭曲的sp3键合的晶格和孤立的点缺陷的形成后，热退火有效地消除，在最终的结构中留下少量的残留损伤。单晶金刚石中的三维微结构提供了广泛的应用，例如量子光学器件和完全集成的光机械组件。
2016-09-01 cond-mat.mtrl-sci
Electrical excitation of silicon-vacancy centers in single crystal diamond
研究了金刚石单晶中带负电荷的硅空位（SiV）中心的电驱动发光。使用离子注入到p-i-n单晶金刚石二极管的本征（i）区域中来产生SiV中心。电致发光和光致发光信号都表现出归因于（SiV）-中心的典型发射。在正向和反向偏置PL测量下，没有观察到来自中性（SiV）0缺陷的信号。电驱动（SiV）发射的实现是有希望的可扩展的纳米光子器件采用单晶金刚石中的色心。
2015-03-16 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Laser Activation of Single Group-IV Colour Centres in Diamond
针对量子网络用金刚石IV族色心的单缺陷精准定位激活难题，提出结合位点控制离子注入与原位光谱监测飞秒激光退火的两步法，实现单个SnV-中心的位点选择性创建修饰，可推广至其他宽禁带材料色心制备。
2024-09-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Photoluminescence of lead-related optical centers in single-crystal diamond
我们报道了离子注入和随后的热退火过程中金刚石中与铅有关的色心的产生和表征。他们的光致发光（PL）制度的光发射由一个关节的光谱与强烈的发射峰在552.1 nm和556.8 nm，伴随着一组额外的线在535700 nm范围内。PL发射稳定的Pb基缺陷的属性是由其强度与Pb离子的注入注量的相关性所证实的，而没有报告的功能在注入C离子的参考样品中观察到。此外，作为样品温度（143-300 K范围）的函数和在不同激发波长（532 nm，514 nm，405 nm）下进行的PL测量表明，在Pb注入金刚石中观察到的复杂光谱特征可能与各种不同的缺陷和/或电荷状态有关。这项工作是根据以前的报告，在金刚石的光学活性中心的基础上，第四族杂质，如硅，锗和铅。从长远来看，对这组缺陷复合物的全面研究可以对它们的形成和光物理性质中涉及的共同特征带来重要的见解，从而为新一代量子光学器件的开发提供坚实的基础。
2018-06-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Effect of Low-Damage Inductively Coupled Plasma on Shallow NV Centers in Diamond
近年来，金刚石近表面的氮空位（{NV}）中心已被成功地用作外自旋的原子级磁场传感器。一个关键的挑战仍然是开发一种方法，使NV中心在纳米接近金刚石表面，同时保持其光学和自旋特性。为此，我们提出了一种方法，控制金刚石蚀刻与纳米精度使用氧电感耦合等离子体（ICP）过程。重要的是，没有痕迹的等离子体引起的损害蚀刻表面可以检测到的X射线光电子能谱学（XPS）和共聚焦光致发光显微镜技术。此外，通过剖析由5.0 keV的氮注入能量产生的NV中心的深度，可以观察到在它们的荧光中没有等离子体诱导的淬灭。此外，发达的蚀刻工艺甚至允许在其深度分布的沟道尾部被解决。此外，处理12 C同位素纯化的金刚石显示，与初始氧封端的表面相比，深度<4 nm的NV中心的T2时间增加了三倍（通过金刚石表面处质子的NMR信号测量）。
2015-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Complex refractive index variation in proton-damaged diamond
在离子注入等微细加工过程中，对单晶金刚石光学性质的精确控制在集成光子器件的工程中起着至关重要的作用。在这项工作中，我们对单晶金刚石在中低能量注量（范围：10^15 - 10^17 cm^-2）下被2和3 MeV质子损伤时折射率实部和虚部的变化进行了系统研究。在用扫描离子微束注入125 × 125 μ m^2区域后，用激光干涉显微镜测量注入区域光程长度的变化，同时用具有微米空间分辨率的光谱装置研究它们的光透射。在考虑了体样品中强非均匀损伤分布的模型的基础上，计算了复折射率随损伤密度的变化。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Photoactivation of color centers induced by laser irradiation in ion-implanted diamond
本文提出利用毫瓦级连续波激光局域辐照，在离子注入金刚石中无需热退火即可直接光激活Mg和Sn相关色心，实现单光子发射器的可控、低成本、原位可监测制备。
2024-09-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Engineering chromium related single photon emitters in single crystal diamond
金刚石中的色心作为单光子发射体，由于其室温操作和光稳定性，是未来量子器件的主要候选者。最近发现的铬相关中心是特别有吸引力的，因为它们具有窄带宽的发射和非常短的寿命。在本文中，我们调查的制造方法，工程师在单片金刚石这些中心。我们表明，发射器可以成功地制造与氧或硫的铬离子注入。此外，我们的研究结果表明，背景氮浓度是一个重要的参数，它决定了成功产生这些中心的概率。
2010-09-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
A fitting algorithm for optimizing ion implantation energies and fluences
我们描述了一种方法来自动生成离子注入配方，一组能量和注量，以产生所需的缺陷密度分布在固体中使用最少的所需能量。我们模拟了一系列离子能量的缺陷密度分布，用适当的函数拟合它们，并插值得到任意离子能量的缺陷密度分布。给定$N$能量，然后优化一组$N$能量-通量对以匹配给定的目标缺陷密度分布。最后，我们找到最小值$N$，使得目标缺陷密度分布与由$N$能量-注量对产生的缺陷密度分布之间的误差小于给定阈值。受金刚石中氮空位中心的量子传感应用的启发，我们应用我们的技术来计算最佳的离子注入配方，以创建均匀密度1 $μ$ m表面层的$^{15}$ N或空位（使用$^4$他）。
2021-05-27 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph
Spatially controlled fabrication of single NV centers in IIa HPHT diamond
采用光刻掩模氦离子注入法在高温高压Ⅱ a金刚石中制备了单NV心。定量地比较了HPHT不同生长区的NV中心浓度。结果表明，HPHT金刚石的最纯{001}生长扇区（GS）允许在预定位置创建单个NV中心的组。因此，{001} GS HPHT钻石被认为是涉及单NV中心应用的良好材料。
2019-12-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermal Diffusion Boron Doping of Single-Crystal Diamond
单晶金刚石（SCD）具有最佳的整体电子和热性能，是极宽禁带材料，有望在未来彻底改变电力电子和射频电子。然而，将SCD转变为有用的半导体需要克服掺杂挑战，因为传统的替代掺杂技术，例如热扩散和离子注入，不容易应用于SCD。在这里，我们报告了一个简单的和容易获得的掺杂策略，证明在SCD中的电激活，取代掺杂，而不诱导石墨化转变或晶格损伤，可以很容易地实现与热扩散在相对较低的温度下，通过使用重掺杂的硅纳米膜作为一个独特的掺杂剂携带介质。原子模拟阐明了空位交换硼掺杂机制，发生在Si和金刚石之间的键合界面。我们进一步展示了选择性掺杂的高压二极管和半波整流器电路使用这样的掺杂SCD。我们的新掺杂策略为未来的高压功率转换系统和其他新型金刚石基电子器件使用SCD建立了一条可达的道路。这种新的掺杂机制可能在其他宽带隙半导体中找到关键用途。
2016-03-03 cond-mat.mtrl-sci
Concept of deterministic single ion doping with sub-nm spatial resolution
我们提出了一种确定性的单原子注入固体依赖于作为离子源的线性离子阱的方法。我们的方法可以确定性地控制注入原子的数量和小于1 nm的空间分辨率。此外，该方法有望适用于几乎所有的化学元素。单磷或氮原子的确定性注入对于可扩展的固态量子计算机的制造是有趣的，特别是对于基于硅和金刚石的方案。纳米和亚纳米电子器件的制造具有广泛的应用前景。
2006-03-07 cond-mat.mtrl-sci
Creating diamond color centers for quantum optical applications
金刚石中的氮空位（NV）中心作为固态量子比特具有独特的前景。这是因为它们具有大的偶极矩、方便的能级结构和很长的室温相干时间。通常，离子辐照和随后的退火的组合用于创建中心，然而对于量子计算的严格要求，需要优化所有工艺，并且必须减轻由于注入工艺本身引起的残余损伤引起的退相干。为此，我们研究了由2 MeV He离子注入形成的NV $^-$、NV $^0$和GR 1心的光致发光（PL）。样品在$600^{\circ}$ C下退火以使残余空位扩散最小化，从而允许同时分析来自NV中心的PL和辐照诱导空位（GR 1）。我们发现随着离子注量的增加，非单调的PL强度，单调增加的PL在NV $^0$ /NV $^-$和GR 1/（NV $^0$ + NV $^1$）的比例，并增加非均匀加宽的零声子线的离子注量。所有这些结果都为NV量子比特的最佳形成条件提供了重要的启示。我们将我们的研究结果应用到一个非共振光子量子存储方案，使用振动边带。
2007-10-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Characterization of the recovery of mechanical properties of ion-implanted diamond after thermal annealing
由于其出色的机械性能，金刚石和类金刚石材料发现了重要的技术应用，从成熟的工业领域（切割工具，涂层等）到更先进的机械设备，如微和纳米机电系统。高能离子的使用是制造三维微机械结构的一种强大而通用的工具。在这种情况下，它是最重要的是有一个准确的知识，离子诱导的结构损伤的影响，这种材料的机械性能，首先预测潜在的不希望的副作用的离子注入过程中，并可能定制所需的机械性能的制造设备。我们提出了一种原子力显微镜（AFM）表征的独立的悬臂梁在单晶金刚石获得的FIB辅助剥离技术，它允许确定的金刚石晶体的杨氏模量后，MeV离子辐照过程的同时制造的微结构，和随后的热退火。的AFM测量进行了与光束弯曲技术，并表明，热退火过程中允许的原始晶体的机械性能的有效恢复。
2016-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Deterministic Detection of Single Ion Implantation
针对量子技术材料制备中单离子确定性注入的检测需求，研究了多种离子与基质组合的单离子检测效率及影响因素，证明参数优化可实现90%以上效率，Sb团簇掺杂可达100%，为量子器件制造提供支撑。
2025-10-01 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Magnesium-vacancy optical centers in diamond
我们提供了第一个系统的表征的结构和光致发光特性的光学活性的缺陷中心后，在人造金刚石注入30-100 keV的Mg+离子。通过在室温和800 °C下进行的27 Mg掺杂的发射沟道技术研究了Mg相关缺陷的结构构型，这允许鉴定与MgV络合物的分裂空位结构相容的位点中的大部分Mg原子（~30-42%）。在置换位点上发现较小比例的Mg原子（~13-17%）。在5 K和300 K之间的温度范围内，在集合和单个缺陷水平下研究了光致发光发射，提供了与MgV相关的发射特性的详细图片，并揭示了以前未报道的光谱特征的发生。的MgV中心的光激发性也进行了研究，作为一个功能的光激发波长，使确定光稳定和强烈的发射的最佳条件。初步的实验数据和理论模型在文献中的上下文中讨论的结果，具有吸引力的观点利用的可调性能的MgV中心的量子信息处理应用。
2022-06-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fabrication and electrical characterization of three-dimensional graphitic microchannels in single crystal diamond
本文报道了用离子束直写技术在单晶金刚石上制备导电微通道的系统表征。聚焦的高能（~MeV）氦离子被用来选择性地将金刚石以微米级的空间精度在热退火时转化为稳定的石墨相，这是由于在范围的末端处发生的诱导结构损伤。可变厚度掩模允许精确调节微通道形成的深度，从几μm深到样品的表面。通过横截面透射电子显微镜（TEM），我们表明，该技术允许直接写入的非晶（和石墨，在适当的热退火）的微观结构在三个空间方向上的绝缘金刚石基体内延伸，特别是埋在一个高度绝缘的矩阵中的通道出现和电连接到样品表面的特定位置。此外，通过在室温和变温下的电特性，我们调查的导电性和电荷传输机制的微通道通过在不同的离子注量注入和随后的热处理后，表明在高温退火后，以上的临界损伤密度注入的通道转换成一个稳定的石墨相。这些结构对于不同的应用具有显著的影响，例如紧凑的电离辐射检测器、剂量计、生物传感器以及更一般地具有埋置的三维全碳电极的基于金刚石的装置。
2012-04-13 cond-mat.mtrl-sci
Systematic study of defect-related quenching of NV luminescence in diamond with time correlated single photon counting spectroscopy
我们报告的光致发光（PL）寿命在NV-和NV 0中心在2 MeV H+注入Ib型金刚石样品的时间相关单光子计数（TCSPC）显微镜技术的系统表征。偶极-偶极共振能量转移模型被应用到解释实验结果，允许的浓度的定量相关性的原生（单取代氮原子）和离子诱导（孤立的空缺）PL淬灭缺陷与测得的PL寿命。TCSPC测量在正面（即激光束沿着先前注入离子的相同法线方向探测主样品表面）和侧面（即激光束相对于相同离子注入方向正交地探测侧面样品表面）几何结构中进行。特别是，后者的几何形状允许直接探测的中心寿命沿强烈的不均匀损伤的配置文件中的晶体中的MeV离子。经验准指数衰减参数的外推允许系统估计的平均量子效率的中心作为本征和离子诱导的缺陷浓度的函数，这是直接相关的，目前的研究使用的金刚石色心的光子应用。
2013-09-19 cond-mat.mtrl-sci
