\emph{Ab initio} theory of $\text{N}_{2}\text{V}$ defect as quantum memory in diamond
金刚石中的$\text{N}_{2}\text{V}$缺陷通过依赖于密度泛函理论计算的哈伯德模型哈密顿量的参数的\emph{ab initio}方法来表征。结果表明，这种方法适当地描述了由这种缺陷引起的相关激发态的能级。通过确定其临界磁光参数，我们提出利用金刚石中的$\text{N}_{2}\text{V}$缺陷实现长寿命量子存储。
2017-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Perfect preferential orientation of nitrogen-vacancy defects in a synthetic diamond sample
研究表明，通过在（111）取向金刚石衬底上化学气相沉积（CVD）生长，可以有效地控制金刚石中氮空位（NV）缺陷的取向。更确切地说，我们证明了自发产生的NV缺陷沿着[111]轴取向的概率为~ 97%，对应于四种可能的晶轴中最吸引人的取向。这种近乎完美的择优取向可以通过分析金刚石在（111）取向衬底上的生长机制来解释，并可以扩展到其他类型的缺陷。这项工作是设计用于量子信息和传感应用的优化金刚石样品的重要一步。
2014-06-04 cond-mat.mtrl-sci
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
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
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
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
Identifying high performance spectrally-stable quantum defects in diamond
针对金刚石中NV中心光谱扩散及IV族空位复合物工作温度低等问题，本文通过高通量第一性原理筛选，识别出兼具中心对称性、可见光发射等特性的Zn$V^{-2}$等替代量子缺陷。
2025-04-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fermi level pinning by defects can explain the large reported carbon 1s binding energy variations in diamond
在过去的三十年里，由于与sp $^2$和sp $^3$键合碳的特征结合能值的明确识别相关的挑战，通过X射线光电子能谱学（XPS）对碳杂化状态的定量评价一直是表面分析问题。虽然sp $^2$结合能已得到充分确定，但文献中对sp $^3$值存在分歧。在这里，我们使用密度泛函理论计算了纯金刚石和掺杂金刚石模型结构的结合能值。模拟结果表明，金刚石的大带隙允许缺陷钉扎费米能级，这导致sp $^3$键合碳的C（1s）核心电子能量变化很大，与文献报道的sp $^3$碳的实验C（1s）结合能值的宽范围一致.费米能级钉扎硼证明了实验的C（1s）结合能的高掺硼超纳米金刚石，是在良好的协议模拟。
2019-05-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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
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
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
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
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
Microscopic diamond Solid-Immersion-Lenses fabricated around single defect ceneters by focussed ion beam milling
总结了最近的努力，定义微观固体浸没透镜（SIL）的聚焦离子束铣削到金刚石基板注册到一个预选的单光子发射器。我们展示了如何确定一个发射器的位置，至少100 nm的横向和500 nm的轴向精度，以及如何优化铣削过程。测量了单个发射极（金刚石中的氮空位（NV）中心）在SIL制备前后的特性，并进行了比较。利用面向$[111]$的NV中心实现了每秒100万次计数的计数率。
2014-10-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
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
Optical Detection of Paramagnetic Defects in a CVD-grown Diamond
化学气相沉积（CVD）生长的金刚石中的氮空位中心（NV中心）的电子自旋形成磁场和温度的理想探针，以及用于量子信息处理的有前途的量子位。因此，研究和控制这种高纯度晶体中NV中心的磁环境对于这些应用是必不可少的。我们演示了光学检测的顺磁性物质，如氢相关的复合物，在CVD生长的金刚石。通过采用沿[100]晶向的磁场扫描，NV中心的极化电子自旋到这些物质的电子自旋的共振转移在NV光致发光中产生显著的特征。我们的研究结果提供了更详细的CVD生长过程的研究，以及为相干控制的超极化顺磁性物种的新型类的自旋的前景。
2020-12-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
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
Extended defects in natural diamonds: Atomic Force Microscopy investigation
用原子力显微镜研究了天然金刚石在H_2O、CO_2和H_2 O-NaCl溶液中的高压腐蚀表面。晶体的部分溶解产生了几种类型的表面特征，包括众所周知的三角区和小丘，并揭示了几种新类型的缺陷。除了众所周知的三角区和溶解丘几种新类型的缺陷观察。最显著的是几种滞弹性孪晶。丰富的microtwins，有序的小丘和缺陷的存在下，大概与结的分支位错的观察表明生长后的变形事件对金刚石显微结构的形成的重要性。这项工作证实了以前的报告中的一些变形金刚石的扩展缺陷的顺序。此外，目前的工作表明，天然金刚石变形不仅是位错机制和滑移，但机械孪生。主要机制应取决于压力-温度-应力条件下的金刚石从形成域地球表面的运输。
2012-09-07 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
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
From Mono- to Hexa-Interstitials: Computational Insights into Carbon Defects in Diamond
HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Department of Atomic Physics, Institute of Physics, Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯技术与经济大学物理研究所原子物理系）；European Laboratory for Learning and Intelligent Systems (ELLIS) Institute Finland（欧洲学习与智能系统实验室芬兰研究所）；Department of Technical Physics, University of Eastern Finland（东芬兰大学技术物理系）；MTA-WFK Lendület “Momentum” Semiconductor Nanostructures Research Group（匈牙利科学院-维格纳物理研究所Lendulet“动量”半导体纳米结构研究组）
研究通过第一性原理计算分析钻石中碳自空位缺陷的结构与性质，揭示空位聚集的驱动力及电子特性，为实验识别提供框架。
2026-03-12 cond-mat.mtrl-sci quant-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
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
Investigation of oxygen-vacancy complexes in diamond by means of \textit{ab initio} calculations
本文通过第一性原理密度泛函理论计算系统研究了金刚石中的氧-空位复合物，发现其高自旋基态排除了作为ST1色心起源的可能性，并表征了一种高自旋亚稳态复合物的磁光性质以供未来实验识别。
2023-04-27 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced quantum properties of shallow diamond atomic defects through nitrogen surface termination
Hebrew University（希伯来大学）；Technion – Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究通过氮等离子体表面终止技术提升浅层金刚石NV中心的量子稳定性和相干性。
2023-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Engineering NV Centers via Hydrogen-Driven Defect Chemistry in CVD Diamonds for Quantum Applications: NVHx Dissociations into NV, Origin of 468nm Center, and Cause of Brown Coloration
本文通过杂化DFT计算和光谱分析揭示了CVD金刚石中氢在NV色心形成中的关键作用，鉴定468nm中心为NVH-缺陷，并证明NVHx复合物在辐照退火后解离为NV色心，为优化量子应用金刚石合成提供了统一缺陷化学图景。
2025-06-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-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
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
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
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
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
Observation of an environmentally insensitive solid state spin defect in diamond
工程相干系统是量子科学的中心目标。钻石中的色心是一种很有前途的方法，有可能将原子的相干性与固态平台的可扩展性结合起来。然而，坚实的环境可能会对一致性产生不利影响。例如，声子介导的自旋弛豫可以引起自旋退相干，而电场噪声可以随时间改变光学跃迁频率。我们报告了一种新的色心与不敏感的这两个来源的环境退相干：中性电荷状态的硅空位（SiV 0）。通过仔细的材料工程，我们实现了超过80%的注入硅转化为SiV 0。SiV 0具有优异的自旋性质，自旋-晶格弛豫时间（T1）接近1分钟，相干时间（T2）接近1秒，以及优异的光学性质，其发射的约90%进入零声子线和近变换限制的光学线宽。这些综合性质使SiV 0成为量子网络的一个有前途的缺陷。
2017-06-05 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
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
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
Nitrogen-vacancy centre formation via local femto-second laser annealing of diamond
本研究利用飞秒激光局部退火掺氮金刚石，结合光致发光与光探测磁共振表征脉冲能量、预存缺陷及停留时间的影响，发现激光可主要扩散而非产生空位，为定制NV中心提供新手段。
2025-07-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
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
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
Vibrational and vibronic structure of isolated point defects: the nitrogen-vacancy center in diamond
本文采用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了稀极限下点缺陷的振动和电子振动性质。作为一个例子，我们选择了带负电荷的氮空位中心，这是一个固态系统，已经成为许多量子技术协议的测试平台。我们通过构建包含数万个原子的大型超原胞的动态矩阵来实现低有效浓度的缺陷。本文的主要目标是计算由于耦合到振动自由度的发光和吸收线型。通过Huang-Rhys理论计算了对称$a_1$模的耦合。重要的是，包括$e$模式的非平凡贡献，我们开发了一个有效的方法来解决多模式$E \otimes e$ Jahn-Teller问题。我们的研究结果表明，对于金刚石中的NV中心，适当处理$e$模式对吸收特别重要。我们得到了很好的协议与实验的发光和吸收。最后，剩余的缺点的理论方法进行了批判性的审查。所提出的理论方法将有助于固体中点缺陷的识别和进一步的研究。
2021-08-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
Prediction and measurement of the size-dependent stability of fluorescence in diamond over the entire nanoscale
非细胞毒性金刚石纳米颗粒中的荧光缺陷是量子计算中的量子比特、生物医学成像中的光学标记和磁力测量中的传感器的候选者。对于每种应用，这些缺陷需要是光学和化学稳定的，并且以合适的浓度（单个或大量）包含在单个颗粒中。在这封信中，我们结合模拟，理论和实验，提供第一个全面和通用的预测的尺寸，温度和氮浓度依赖的光学活性NV缺陷的稳定性纳米金刚石。
2009-08-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci q-bio.QM
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
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
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
Single photon emitters based on Ni/Si related defects in single crystalline diamond
研究了离子注入IIa型CVD金刚石中产生的单一Ni/Si色心。通过测试不同的离子剂量组合，我们发现Ni和Si的剂量都有一个上限，分别为10^12/cm ^2和10^10/cm ^2。）这是由于产生了过量的荧光背景。我们证明了Ni/Si相关中心的产生，在室温下在767 nm和775 nm之间的光谱范围内显示出发射和2nm FWHM的窄线宽。强度自关联函数的测量证明了单光子发射。所研究的色心可以粗略地分为两组：从光子统计和激发和发射的偏振度，我们发现，一些色心表现为两个级别，单偶极子系统，而其他中心表现出三个级别和两个正交偶极子的贡献。此外，一些色心具有稳定和明亮的发射，饱和计数率高达78 kcounts/s，而其他色心则显示波动的计数率和三级闪烁。
2010-10-31 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
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
Engineered arrays of NV color centers in diamond based on implantation of CN- molecules through nanoapertures
我们报告了一种通用的方法，工程师阵列的氮空位（NV）的颜色中心在纳米金刚石。通过使用电子束光刻在沉积在金刚石表面上的PMMA层中图案化的80 nm直径的孔通过离子注入平行地产生缺陷。用CN-分子进行注入，这增加了NV缺陷形成产率。这种方法可以实现固态耦合自旋阵列，并可用于定位光子微结构上的光学活性NV中心。
2010-08-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Structural peculiarities, mineral inclusions and point defects in yakutites -- a variety of impact-related diamond
来自Popigai撞击结构的一种不寻常的与撞击有关的金刚石- yakutites -通过补充方法进行表征，包括光学显微镜，X射线衍射，射线照相术和断层摄影术，红外线，拉曼和发光光谱学，提供了不同尺度的结构信息。结果表明，相对较大的石墨聚集体可以转化为金刚石，保留许多形态特征。光谱和X射线衍射数据表明，yakutite矩阵块纳米金刚石。首次在声子色散曲线的框架下解释了块体纳米金刚石的双声子红外吸收谱特征。钇矿岩的发光光谱主要由位错缺陷组成。由X射线衍射支持的光学显微镜揭示了嵌入纳米金刚石基质中的尺寸高达几十微米的单晶金刚石的存在。冲击金刚石中单晶颗粒的存在可以通过在瞬态腔中的CVD样生长和/或由于富含挥发物的目标中的缓慢压力释放而导致的冲击过程的秒长压缩阶段来解释。首次在雅库特岩中观察到以单斜和四斜混合相ZrO_2为代表的原生矿物包裹体。这意味着斜锆石的存在，在目标岩石负责雅库特形成。
2022-02-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Cooperative dynamic polaronic picture of diamond color centers
本研究利用超快泵浦—探测技术与第一性原理计算，揭示金刚石NV中心中合作极化子效应及偶极Fröhlich相互作用，解释低密度缺陷下电子和声子响应的显著增强。
2024-09-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
