[发明专利]激光辅助MPCVD法增强单晶金刚石SiV色心的应用及具有SiV色心的单晶金刚石

说明书

本发明公开了激光辅助MPCVD法增强单晶金刚石SiV色心的应用，以及具有SiV色心的单晶金刚石，其特征在于：所述SiV色心的形成系采用激光辅助MPCVD法在单晶金刚石衬底上生长硅掺杂的单晶金刚石而成。本发明方法采用激光辅助MPCVD法制备单晶金刚石，Si元素在制备过程中经等离子体辅助进入金刚石晶粒中，形成SiV发光中心，使单晶金刚石具有很强的SiV发光特性，该方法对设备要求较低、工艺简单、易于操作。

技术领域

本发明涉及一种激光辅助MPCVD法增强单晶金刚石SiV色心的应用及具有SiV色心的单晶金刚石。

背景技术

单光子发射器是能够产生具有可控量子相关性的光子流的光源，是许多可扩展的量子信息技术的基本资源。在固态单光子发射器中，金刚石荧光原子缺陷在室温下具有出色的光稳定性，可有望将原子的出色光学特性与便捷性和可扩展性相结合固态主机系统。自从单个NV中心首次展示出单光子发射性能以来，金刚石量子光子学领域的研究已经取得了巨大的进步。相比于研究最广泛深入的NV中心，SiV中心的发光峰更窄。这意味着SiV中心空间相干性好，零声子线(ZPL)更强，其中约70％的光子发射到ZPL中。ZPL的发射对于光子介导的多个发射器内部量子态的纠缠非常重要，因此实现制备具有SiV中心发光的单晶金刚石将会是量子信息领域的重要材料基础。

目前人工合成金刚石的方法有高温高压法，直流电弧等离子体喷射法，热丝化学气相沉积法，微波等离子体化学气相沉积法。由于微波激发的等离子体可控性好，等离子密度高，无电极污染等一系列优点，微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD法)成为制备高品质乃至器件级金刚石的首选方法。因此，如果能在MPCVD法引入硅杂质，提高SiV中心在金刚石内的密度，有望实现较高晶体质量与强SiV光致发光的结合。目前在金刚石生长中人工引入硅杂质的方法有在含Si衬底上进行MPCVD、硅离子注入法、工艺气体中加入含Si气体。

如今有研究提出了通过激光微波等离子体化学气相沉积(Laser MPCVD)制备高结晶度金刚石膜的方法。研究表明，激光可以增强前体反应过程，从而减少了非金刚石成分，例如石墨和无定形碳。通过适当强度的激光和等离子体的耦合会生成更多的甲基自由基和原子氢，从而促进金刚石晶体的快速生长。目前文献中，采用LMPCVD法制备单晶金刚石，其主要研究集中在工艺参数对金刚石的晶粒质量及形貌结构的影响，其目标在于获得高速的金刚石单晶材料生长；而采用LMPCVD法制备具有SiV发光的单晶金刚石未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光辅助MPCVD法增强单晶金刚石SiV色心的应用，可获得具有更强SiV发光的单晶金刚石。

本发明采用的技术方案为：激光辅助MPCVD法在生长单晶金刚石SiV色心的应用，是指提供C源和Si源，采用激光辅助MPCVD法生长单晶金刚石，并使单晶金刚石处于激光直射光斑范围内。

其具体步骤为：将单晶金刚石进行表面粗化刻蚀，以刻蚀后的单晶金刚石为衬底，提供气态C源和固态Si源，采用激光辅助MPCVD法继续生长硅掺杂的单晶金刚石，形成具有SiV发光的单晶金刚石。继续生长的单晶金刚石，其晶体生长方向与衬底单晶金刚石的晶体生长方向一致，形成具有SiV发光的单晶金刚石。刻蚀通常采用等离子刻蚀的方法，也可以采用本领域通用的其他方法，刻蚀的目的是形成粗糙表面成核点，以便后续的金刚石附着生长。

优选的，所述单晶金刚石在刻蚀前，先进行表面清洁处理。

优选的，激光波长为405-600nm，激光功率为10mW-100mW。

优选的，具体操作步骤为：

(1)表面预处理：将单晶金刚石酸洗后，用水充分清洗表面残余酸液，再用N₂气流充分干燥，将金刚石与硅片依次置于丙酮溶液、无水乙醇和去离子水中超声清洗，最后经N₂气流充分干燥；