[发明专利]用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法

权利要求书

1.合成金刚石材料，其包含一个或多个自旋缺陷，该一个或多个自旋缺陷具有不大于100MHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度，

其中在至少10秒和至少10次光谱扫描中的一者或两者内将该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度平均，

其中该合成金刚石材料是CVD合成金刚石材料，并且

其中该一个或多个自旋缺陷是NV^-自旋缺陷，并且

其中该一个或多个自旋缺陷具有在室温下至少500μs的消相干时间T₂，并且

其中制作该合成金刚石材料的方法包括：

选择包含不大于100ppb的单取代氮浓度的合成金刚石材料；和

使用包括以下步骤的多阶段退火过程将该合成金刚石材料退火：

在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时的第一退火步骤；

在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时的第二退火步骤；和

在1150℃至1550℃范围内的温度下持续至少2小时的第三退火步骤。

2.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度不大于40MHz。

3.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中在至少100秒内将该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度平均。

4.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中在至少100次光谱扫描内将该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度平均。

5.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷位于离该合成金刚石材料的表面不大于1μm。

6.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中该合成金刚石材料包含所述自旋缺陷的层，该层包含至少10⁵个自旋缺陷/cm²并且具有不大于1μm的厚度。

7.根据权利要求6的合成金刚石材料，其中所述层的厚度不大于100nm。

8.根据权利要求6的合成金刚石材料，其中所述层包含10⁵个自旋缺陷/cm²至10¹¹个自旋缺陷/cm²。

9.根据权利要求1的合成金刚石材料，还包含在合成金刚石材料中制作的一个或多个光子结构。

10.根据权利要求9的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷位于离该一个或多个光子结构不大于1μm或位于该一个或多个光子结构内。

11.制作根据权利要求1的合成金刚石材料的方法，该方法包括：

选择包含不大于100ppb的单取代氮浓度的合成金刚石材料；和

使用包括以下步骤的多阶段退火过程将该合成金刚石材料退火：

在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时的第一退火步骤；

在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时的第二退火步骤；

和

在1150℃至1550℃范围内的温度下持续至少2小时的第三退火步骤。

12.根据权利要求11的方法，还包括在多阶段退火过程之前将氮层注入该合成金刚石材料中。

13.根据权利要求11的方法，还包括在多阶段退火过程之前辐照该合成金刚石材料以形成空位缺陷。

14.基于金刚石的量子体系，包含：

根据权利要求1的合成金刚石材料；

配置成光学激发合成金刚石材料中的一个或多个自旋缺陷的激发装置；和

配置成探测来自该一个或多个自旋缺陷的光子发射的探测器装置。