[发明专利]一种纳米金刚石中高亮度硅空位色心的制备方法

说明书

本发明涉及金刚石色心领域，具体为一种纳米金刚石中高亮度硅空位色心的制备方法。基于气体掺杂方式在微波等离子体化学气相沉积设备引入四甲基硅烷气体，在衬底上生长硅掺杂纳米金刚石薄膜，金刚石晶粒尺寸小于100nm，采用机械剥离或者湿法刻蚀方法将衬底去掉，得到自支撑薄膜并研磨处理得到纳米金刚石粉体，将纳米金刚石粉体进行550～650℃空气气氛下退火5～10min，获得硅空位色心在室温激发条件下其738nm荧光峰与金刚石拉曼峰强度比值大于10。从而，在纳米金刚石中可控掺杂硅原子获得硅空位色心，并实现硅空位色心在室温条件下高亮度发光的颗粒制备。本发明制备的纳米金刚石具有非常强的SiV发光性能，可以用于生物荧光标记，高精度温度磁性测量等领域。

技术领域

本发明涉及金刚石色心领域，具体为一种纳米金刚石中高亮度硅空位色心(SiV)的制备方法。

背景技术

金刚石是一种非常重要的宽禁带半导体材料，禁带宽度为5.45eV，在其器件制备过程中经常需要掺入杂质原子改善半导体能带结构。固溶在金刚石晶格特定杂质原子与晶格空位结合将在可见光谱区具有光致发光的现象，这类组合点缺陷被称为色心。与高分子染料发光材料或者量子点等材料相比，金刚石色心的辐射荧光具有高单色性，无光漂白，可室温操作等优点，并结合金刚石固有的化学惰性特点，在量子信息处理，生物标记和光学传感器等领域具有非常诱人的应用前景。

目前已发现了500多种金刚石色心缺陷，其中最具应用前景和研究价值有两种：氮空位(NV)和硅空位(SiV)。这两种色心都可以呈现带电特性，电中性和电负性的NV辐射荧光峰分别在575nm和638nm，而电中性和电负性的SiV色心辐射荧光峰分别在738nm和946nm。用于生物荧光标记所需的激发激光和辐射荧光一般倾向于红光波段，该波段能够降低生物体自身荧光发光，同时增加穿透深度，降低对生物体的损伤。因此，电负性NV和SiV色心更具研究价值；而处于红外波段的电中性SiV因涉及非辐射复合过程，发光效率很低，其研究和应用价值较低。

现有化学气相沉积(CVD)金刚石中SiV色心的辐射荧光随着金刚石晶粒尺寸减少会逐步降低(参考非专利文献1,2和专利文献3)，在晶粒尺寸小于100nm的纳米金刚石中SiV色心的发光峰非常弱，甚至出现荧光淬灭现象，即SiV色心的738nm荧光峰与金刚石拉曼峰比值远小于1，很难满足其在生物标记中的应用。这主要由于以下原因所致：金刚石晶格中Si原子掺杂是通过刻蚀固态硅衬底或者二氧化硅等实现，很难实现硅原子的可控掺杂；此外，在纳米金刚石中硅原子更倾向于在晶界上偏聚，导致在金刚石晶格中Si原子更少。

【非专利文献1】DiamondRelated Materials 56(2015)23-28.

【非专利文献2】Journal of Applied Physics 120(2016)225107.

【专利文献3】公开号CN104060237A，发明名称：一种具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜及制备方法，采用热丝化学气相沉积方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米金刚石中高亮度硅空位色心(SiV)的制备方法，获得的SiV色心在738nm具有非常强且窄的辐射荧光信号(738nm处荧光信号与金刚石D拉曼峰强度比大于10)，满足生物荧光标记以及量子光学传感器的高亮度性能要求。

本发明的技术方案是：

一种纳米金刚石中高亮度硅空位色心的制备方法，首先利用气体掺杂的方式在微波等离子体化学气相沉积中引入四甲基硅烷，生长硅掺杂的纳米金刚石薄膜，然后对纳米金刚石粉体进行空气处理获得氧终端的纳米金刚石，包括以下步骤：

a.预形核处理：以特定材料为衬底，将其放在粒度4～6nm的金刚石种子溶液中超声20～40min，形成具有金刚石种子均匀分布的衬底；其中，衬底为二氧化硅或金属钛或金属钼；