ЭВОЛЮЦИЯ ВАКАНСИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ В СИНТЕТИЧЕСКОМ АЛМАЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ОБЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ И ОТЖИГА
Аннотация
В работе исследовано формирование массивов азот-вакансионных комплексов (NV-центров) в синтетическом монокристалле алмаза в результате облучения высокоэнергетическими электронами и последующего высокотемпературного отжига. Методами оптической спектроскопии (поглощение и люминесценция) в видимой области спектра исследована эволюция дефектно-примесного состава облученного монокристалла HPHTалмаза при вакуумном отжиге при температурах от 800 до 1500 °С. Использован метод оценки концентрации NV-центров по спектрам поглощения, позволивший оценить раздельно концентрации отрицательно заряженных и нейтральных NV-центров. Исследования проведены в двух ростовых секторах алмаза: {111} и {100}, отличающихся различными эффективностями встраивания примесных атомов в процессе роста. Показано, что в ростовом секторе {100} вероятность формирования нейтральных NV-центров в 1,6 раз превышает вероятность формирования отрицательно заряженных центров из-за малого количества донорной примеси азота. Для создания квантовых сенсоров магнитного поля и гироскопов предпочтительным является формирование NV-центров в ростовом секторе {111}. Было исследовано формирование H3-центров при высокотемпературном отжиге и показано, что отжиг следует выполнять при температуре 1000 °С или ниже, в противном случае азот формирует не NV-центры, а H3-центры. Показано, что оптимальная доза облучения для HPHT кристаллов составляет порядка 1018 см-2 . В ростовых секторах {111} и {100} методом измерения биений Рамси было определено время когерентности T2* = 0,88 мкс, практически достигающее ограничения в 0,9 мкс, обусловленного наличием в решетке алмаза атомов углерода 13C с ядерным спином 1/2.
Литература
Childress L., Hanson R. Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks. MRS Bulletin. 2013. V. 38. P. 134–138. DOI: 10.1557/mrs.2013.20.
Bradley C.E., Randall J., Abobeih M.H., Berrevoets R.C., Degen M.J., Bakker M.A., Markham M., Twitchen D.J.,
Taminiau N.H. A Ten-Qubit Solid-State Spin Register with Quantum Memory up to One Minute. Phys. Rev. X. 2019. V. 9. P. 031045. DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031045.
Prawer S., Aharonovich I. Quantum information processing with diamond: principles and applications. Woodhead Publ. 2014. 345 p.
Barry J.F., Schloss J.M., Bauch E., Turner M.J., Hart C.A., Pham L.M., Walsworth R.L. Sensitivity optimization
for NV-diamond magnetometry. Rev. Mod. Phys. 2020. V. 92. P. 015004. DOI: 10.1103/RevModPhys.92.015004.
Huang Z., Li W.-D., Santori C., Acosta V.M., Faraon A., Ishikawa T., Wu W., Winston D., Williams R.S., Beausoleil R.G. Diamond nitrogen-vacancy centers created by scanning focused helium ion beam and annealing. Appl.
Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 081906. DOI: 10.1063/1.4819339.
Feng F., Zhang W., Zhang J., Lou L., Zhu W., Wang G. Optimizing the density of nitrogen implantation for generating high-density NV center ensembles for quantum sensing. Europ. Phys. J. D. 2019. V. 73. P. 202. DOI:
1140/epjd/e2019-100047-8.
Botsoa J., Sauvage T., Adam M.-P., Desgardin P., Leoni E., Courtois B., Treussart F., Barthe M.-F. Optimal
conditions for NV−center formation in type-1b diamond studied using photoluminescence and positron annihilation spectroscopies. Phys. Rev. B. 2011. V. 84. P. 125209. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.125209.
Bogdanov S.A., Gorbachev A.M., Radishev D.B., Vikharev A.L., Lobaev M.A., Gusev S.A., Tatarsky D.A., Bolshedvorskii S.V., Akimov A.V., Chernov V.V. Creation of Localized NV Center Ensembles in CVD Diamond by Electron Beam Irradiation. Tech. Phys. Lett. 2019. V. 45. P. 281–284. DOI: 10.1134/S1063785019030222.
Edmonds A.M., D’Haenens-Johansson U.F.S., Cruddace R.J., Newton M.E., Fu K.-M.C., Santori C., Beausoleil R.G., Twitchen D.J., Markham M.L. Production of oriented nitrogen-vacancy color centers in synthetic diamond. Phys. Rev. B. 2012. V. 86. P. 035201. DOI: 10.1103/PhysRevB.86.035201.
Lühmann T., Raatz N., John R., Lesik M., Rödiger J., Portail M., Wildanger D., Kleißler F., Nordlund K., Zaitsev A., Roch J.-F., Tallaire A., Meijer J., Pezzagna S. Screening and engineering of colour centres in diamond. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. P. 483002. DOI: 10.1088/1361-6463/aadfab.
Trofimov S.D., Tarelkin S.A., Bolshedvorskii S.V., Bormashov V.S., Troshchiev S.Yu., Golovanov A.V., Luparev N.V., Prikhodko D.D., Boldyrev K.N., Terentiev S.A., Akimov A.V., Kargin N.I., Kukin N.S., Gusev A.S., Shemukhin A.A., Balakshin Y.V., Buga S.G., Blank V.D. Spatially controlled fabrication of single NV centers in IIa HPHT diamond. Opt. Mater. Express. 2020. V. 10. P. 198. DOI: 10.1364/OME.10.000198.
Burns R.C., Hansen J.O., Spits R.A., Sibanda M., Welbourn C.M., Welch D.L. Growth of high purity
large synthetic diamond crystals. Diam. Rel. Mater. 1999. V. 8. P. 1433–1437. DOI: 10.1016/S0925-9635(99)00042-4.
Doronin M.A., Larionov K.V., Troschiev S.Y., Terentiev S.A. Dependence of Synthetic Diamond Wear Rate
on Lattice Orientation at Traditional Mechanical Treatment. J. Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and
Neutron Techniques. 2017. V. 11. P. 1192–1195. DOI: 10.1134/S1027451017060052.
Burns R.C., Cvetkovic V., Dodge C.N., Evans D.J.F., Rooney M.-L.T., Spear P.M., Welbourn C.M. Growthsector dependence of optical features in large synthetic diamonds. J. Crys. Growth. 1990. V. 104. P. 257–279.
DOI: 10.1016/0022-0248(90)90126-6.
Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Kusnetsov M.S., Terentiev S.A., Buga S.G., Semenov A.N. Electrical properties of
synthetic single-crystal diamonds with different concentration of boron dopant. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim.
Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 7. P. 9–12 (in Russian).
Sadovoy V.Yu., Blank V.D., Terentiev S.A., Teteruk D.V., Troschiev S.Yu. Crystallographic orientation influence on secondary electron emission coefficient of a single crystal of synthetic diamond. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved.
Khim. Khim. Tekhnol. 2018. V. 59. N 8. P. 21 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165908.30y.
Doronin M.A., Polyakov S.N., Kravchuk K.S., Molchanov S.P., Lomov A.A., Troschiev S.Yu., Terentiev S.A. Limits of single crystal diamond surface mechanical polishing. Diam. Rel. Mater. 2018. V. 87. P. 149–155. DOI:
1016/j.diamond.2018.05.016
Lawson S.C., Fisher D., Hunt D.C., Newton M.E. On the existence of positively charged single-substitutional nitrogen in diamond. J. Phys.: Cond. Matter. 1998. V. 10. P. 6171–6180. DOI: 10.1088/0953-8984/10/27/016.
Davies G., Lawson S.C., Collins A.T., Mainwood A., Sharp S.J. Vacancy-related centers in diamond. Phys. Rev.
B. 1992. V. 46. P. 13157–13170. DOI: 10.1103/PhysRevB. 46.13157.
Rubinas О.R., Vorobyov V.V., Soshenko V.V., Bolshedvorskii S.V., Sorokin V.N., Smolyaninov A.N., Vins
V.G., Yelisseyev A.P., Akimov A.V. Spin properties of NV centers in high-pressure, high-temperature grown diamond. J. Phys. Comm. 2018. V. 2. P. 115003. DOI: 10.1088/2399-6528/aae992.
Lühmann T., John R., Wunderlich R., Meijer J., Pezzagna S. Coulomb-driven single defect engineering for
scalable qubits and spin sensors in diamond. Nat. Com. 2019. V. 10. P. 4956. DOI: 10.1038/s41467-019-12556-0.
Bauch E., Hart C.A., Schloss J.M., Turner M.J., Barry J.F., Kehayias P., Singh S., Walsworth R.L. Ultralong
Dephasing Times in Solid-State Spin Ensembles via Quantum Control. Phys. Rev. X. 2018. V. 8. P. 031025. DOI:
1103/PhysRevX.8.031025.
