[发明专利]单晶合成金刚石材料

说明书

单晶CVD金刚石材料，包含至少5ppm的总氮浓度和至少0.7的中性单一替位氮N_s⁰与总单一替位氮N_s之比。尽管氮的浓度相对高，但观察到这样的金刚石具有相对少量的棕色着色。还公开了制造单晶金刚石的方法，该方法包括在工艺气体中生长CVD金刚石，所述工艺气体除含碳气体和氢之外还包含60至200ppm氮，其中含碳气体中的碳原子与氢气中的氢原子之比为0.5至1.5％。

技术领域

本发明涉及单晶合成金刚石材料领域，具体地使用化学气相沉积(CVD)方法制造的单晶合成金刚石材料。

背景技术

已经提出将合成金刚石材料中的点缺陷，特别是量子自旋缺陷和/或光活性缺陷用于各种成像、传感和处理应用中，包括例如：发光标签；磁力计；自旋共振装置例如核磁共振(NMR)和电子自旋共振(ESR)装置；用于磁共振成像(MRI)的自旋共振成像装置；量子信息处理装置例如用于量子通信和计算；磁力通信装置；和陀螺仪。

已经发现了某些缺陷在其负电荷状态时对于传感和量子处理应用可特别有用。例如，合成金刚石材料中的带负电的氮-空位缺陷(NV^-)作为可用的量子自旋缺陷引起很多关注，因为它具有数个期望的特征，包括：

(i)它的电子自旋状态可以高保真度相干操纵并具有极长相干的时间(其可使用横向弛豫时间T₂和/或T₂^*来量化和比较)；

(ii)它的电子结构使缺陷被光泵浦至它的电子基态，从而允许这样的缺陷甚至在非低温温度下也被置于特定电子自旋状态。这可取消对于其中期望小型化的某些应用而言昂贵且笨重的低温冷却设备的需求。此外，缺陷可充当都具有相同自旋状态的光子的来源；和

(iii)它的电子结构包含发射和未发射电子自旋状态，这允许通过光子读出缺陷的电子自旋状态。这方便从在传感应用例如磁力测定、自旋共振光谱法和成像中使用的合成金刚石材料读出信息。此外，它是使用NV^-缺陷作为量子位用于长距离量子通信和大规模量子计算的关键因素。这样的结果使NV^-缺陷成为固态量子信息处理(QIP)的竞争性候选者。

金刚石中的NV^-缺陷由与碳空位相邻的替位氮原子组成。它的两个未成对电子形成处于电子基态的自旋三重态(³A)，退化的m_s＝±1的次能级与m_s＝0的能级分开2.87GHz。NV^-缺陷的电子结构使得m_s＝0的次能级在被光泵浦时表现出高荧光率。与此相反，当在m_s＝±1的能级中激发缺陷时，它表现出较高的概率跨越至非辐射单重态(¹A)，之后随后弛豫为m_s＝0。结果，可光学读出自旋状态，m_s＝0的状态为“亮的”且m_s＝±1的状态为暗的。当施加外部磁场或应变场时，通过Zeeman分裂破坏自旋次能级m_s＝±1的简并。这引起共振线根据施加的磁场/应变场大小和它的方向而分裂。这种依赖性可用于磁力测定，通过使用微波(MW)来探测共振自旋跃迁和使用光测磁共振(ODMR)光谱法以测量所施加磁场的大小和任选的方向。

合成金刚石材料中的NV^-缺陷可以许多不同的方式形成，包括：

(i)在合成金刚石材料的生长过程中形成，其中在生长过程中将氮原子和空位并入晶格中作为氮-空位对；

(ii)在金刚石材料合成之后，通过在一定温度(约800℃)下将材料生长后退火而由生长工艺过程中并入的原生氮和空位缺陷形成，所述温度引起空位缺陷迁移通过晶格从而与原生单一替位氮缺陷配对；