何健 贾燕伟 屠菊萍 夏天 朱肖华 黄珂 安康2)刘金龙2)† 陈良贤 魏俊俊2) 李成明2)‡

1) (北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083)

2) (北京科技大学顺德研究生院,佛山 528399)

金刚石中浅表层氮空位色心在磁探测、量子传感等方面表现出优异的灵敏度和分辨率.相比于其他制备方法,低能碳离子注入具有要求金刚石纯度低、不引入新的杂质原子等优点,但其氮空位色心的形成机理尚不明确.本文采用低能碳离子注入和真空退火工艺在金刚石浅表层创建氮空位色心,并通过拉曼光谱、X 射线光电子能谱以及正电子湮没分析,揭示了碳离子注入金刚石制备氮空位色心的机理.结果表明: 碳离子注入金刚石在950 ℃真空退火后呈现出显著的氮空位色心发光.碳离子注入后金刚石浅表层表现出晶格畸变与非晶碳的损伤区,并产生了碳-空位簇缺陷(包裹碳原子的空位簇).在真空退火过程中损伤区通过畸变区的恢复与非晶碳区的固相外延逐步转变为金刚石结构,并伴随着碳-空位簇缺陷的不断解离.在850 ℃和900 ℃退火条件下损伤区结构得到部分修复,而在950 ℃ 退火时损伤层基本恢复,同时伴随碳空位簇解离的单空位与代位氮原子结合,形成了氮空位色心.

1 引言

金刚石中氮空位色心具有自旋相干时间长、易于调控等优异的性能,极大拓展了其新的应用领域,如量子磁学[1,2]、量子传感[3-6]、生物标记[7-9]等.目前,氮空位色心的制备普遍使用电子辐照或离子注入.其中,电子辐……