[发明专利]一种纳米金刚石过渡金属色心的植晶掺杂制备方法

说明书

本发明涉及纳米金刚石色心领域，具体为一种纳米金刚石过渡金属色心的植晶掺杂制备方法，包括如下步骤：在石英基底表面生长纳米金刚石薄膜形成金刚石基底，对金刚石基底去表面石墨处理后进行超声清洗；将纳米金刚石胶体溶液和过渡金属粉末均匀混合，配制混合植晶液；将金刚石基底置于配制的混合植晶液中，进行超声植晶，得到混合晶种均匀分布的金刚石基底；在植晶完成后的金刚石基底表面再生长纳米金刚石薄膜；然后进行高温退火、去表面石墨处理，得到较为纯净的具有过渡金属色心的金刚石。本发明通过超声植晶方式在金刚石基底表面植入均匀分布的混合晶种，将过渡金属元素引入金刚石生长环境，方便高效的实现了纳米金刚石过渡金属色心的制备。

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过渡金属色心的植晶掺杂制备方法。

背景技术

金刚石色心是室温下单个光子的光稳定固态源，能够被用作量子信息的载体，完成诸如量子通信或量子计算等任务；在生物标记以及纳米显微技术等方面也具有重要的作用。近年来，我国在量子通讯技术应用方面的技术发展迅速。然而，我国关于单光子源制备方面的研究相对较少。很多研究组使用的单光子源均来自国外。因此，为保障我国在量子信息、量子计算等领域的顺利发展，有必要加强单光子源制备方面的研究。

过渡金属元素具有独特的电子结构，使得掺杂后的金刚石表现出优异的发光性能，在可见光和近红外光区域具有明亮荧光；同时过渡金属色心具有很小的光激发弛豫能，准局域声子没有明显耦合，展现出锐利的荧光峰。过渡金属色心正逐渐成为量子光学和生物成像应用中的重要工具。

目前对过渡金属色心的研究集中于天然金刚石和高温高压合成金刚石中，利用微波等离子体化学气相沉积设备合成的研究相对较少。在色心的制备方法中，离子注入的方法会对金刚石晶格造成破坏，影响色心发光，不利于高纯度色心形成；高温高压制备出的金刚石纯净度较差，在工业上运用较多；化学气相沉积方法能够得到高质量的金刚石膜，易于在实验室实现。然而由于过渡元素相较于碳元素的原子半径较大，采用气体将过渡金属的化合物带入沉积腔的方式很容易造成流量计堵塞，给金刚石过渡金属色心的化学气相沉积制备带来了困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米金刚石过渡金属色心的植晶掺杂制备方法，通过超声植晶方式，在金刚石基底表面植入均匀分布的纳米金刚石晶种和过渡金属小颗粒，将过渡金属元素引入金刚石生长环境，方便高效的解决了化学气相沉积设备中难以引入过渡金属元素的问题，实现了具有过渡金属色心的纳米金刚石的制备。

本发明的技术方案为：

一种纳米金刚石过渡金属色心的植晶掺杂制备方法，其特征在于，采用超声植晶的方式将过渡金属元素引入到金刚石生长环境中，生长含有过渡金属元素的纳米金刚石薄膜，包括以下步骤：

步骤一：将石英基底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，去除石英基底表面有机物和残余杂质；

步骤二：将清洗后的石英基底放入微波等离子体化学气相沉积设备的沉积腔中，在石英基底的表面生长纳米金刚石薄膜，生长完成的纳米金刚石薄膜形成金刚石基底；

步骤三：对金刚石基底进行去表面石墨处理，去表面石墨处理采用空气中加热氧化的方式，加热温度为550℃，升温降温速率均为200℃/h，保温时间为1h；

步骤四：对去表面石墨处理后的金刚石基底进行清洗：依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗；

步骤五：配制混合植晶液：通过超声处理方式，将纳米金刚石胶体溶液和过渡金属粉末混合均匀，得到混合植晶液，纳米金刚石胶体溶液中的纳米金刚石颗粒粒径为3nm～4nm，过渡金属粉末颗粒粒径为2μm～5μm，超声混合时的超声频率为500Hz～700Hz，超声时间为30min～50min；通过调整过渡金属粉末的数量，可以控制形成色心的密度；