金剛石傳感器、探測器和量子裝置制造方法
【專利摘要】單晶合成CVD金剛石材料，包含：生長扇區(qū)；該生長扇區(qū)內(nèi)的一個或多個類型的多個點缺陷，其中至少一個類型的點缺陷在該生長扇區(qū)內(nèi)擇優(yōu)對齊，其中所述至少一個類型的點缺陷的至少60%顯示了所述擇優(yōu)對齊，且其中至少一個類型的點缺陷為帶負電的氮空位缺陷(NV-)。
【專利說明】金剛石傳感器、探測器和量子裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在傳感、探測和量子處理應用中使用的合成化學氣相沉積(CVD)的金剛石材料。
【背景技術】
[0002]已提出了將在合成金剛石材料中的點缺陷，特別是量子自旋缺陷和/或光學活性缺陷用于不同的傳感、探測和量子處理應用中，包括:磁力計；自旋共振裝置，例如核磁共振(NMR)和電子自旋共振(ESR)裝置；用于磁共振成像(MRI)的自旋共振成像裝置；和例如用于量子計算的量子信息處理裝置。
[0003]已在合成金剛石材料中研究了許多點缺陷，包括:含有硅的缺陷，例如硅空位缺陷(S1-V)、硅二空位缺陷(S1-V2)、硅-空位-氫缺陷(S1-V = H)、硅二空位氫缺陷(S-V2 = H);含有鎳的缺陷；含有鉻的缺陷；以及含有氮的缺陷，例如氮-空位缺陷(N-V)、二氮空位缺陷(N-V-N)和氮-空位-氫缺陷(N-V-H)。一般地，在中性充電狀態(tài)或在帶負電狀態(tài)中發(fā)現(xiàn)這些缺陷。要注意，這些點缺陷延伸超過一個晶體晶格點。如本文中所使用的術語點缺陷意在涵蓋該缺陷，但并不包括較大的簇缺陷，例如擴展超過十個或更多個晶格點的這些、或擴展缺陷，例如可擴展超過許多晶格點的位錯。
[0004]合成金剛石材料中的氮-空位(NV_)缺陷作為有用的量子自旋缺陷，已引起了許多興趣，因為其具有幾個所需要的特征，包括:
[0005](i)由于極長的相干時間，可以以高保真度相干地操控其電子自旋狀態(tài)(使用橫向弛豫時間T2可將其量化和進行比較)；
[0006](ii)其電子結(jié)構(gòu)允許將該缺陷光學泵浦入其電子基態(tài)，允許使該缺陷處于具體的電子自旋狀態(tài)，即使在非低溫下。這可降低在需要小型化時用于某些應用的昂貴和大體積低溫冷卻設備的需要。而且，該缺陷可充當均具有相同的自旋狀態(tài)的光子源；且
[0007](iii)其電子結(jié)構(gòu)包含發(fā)射和非發(fā)射的電子自旋狀態(tài)，其允許通過光子讀取缺陷的電子自旋狀態(tài)。這對于從在傳感應用，例如磁力測定、自旋共振光譜和成像中使用的合成金剛石材料讀取信息是方便的。而且，對于將NV_缺陷用作用于長距離量子通訊和可擴展(scalable)的量子計算的量子比特，它是關鍵的組成部分。該結(jié)果使NV_缺陷成為用于固態(tài)量子信息處理(QIP)的有競爭力的候選者。
[0008]在金剛石中的該NV_缺陷由鄰近如圖1a所示的碳空位的取代氮原子組成。其兩個未配對的電子形成了電子基態(tài)(3A)中的自旋三重態(tài)，簡并的ms=±l支能級由2.87GHz導致的 ms=0 倉泛級分隔。在來自 Steingert 等人的“High sensitivity magnetic imaging usingan array of spins in diamond，，，Review of Scientific Instruments81, 043705 (2010)的圖1b說明了該NV_缺陷的電子結(jié)構(gòu)。當進行光學泵浦時，該ms=0支能級展現(xiàn)了高的熒光率。相比之下，當以ms=±l能級激發(fā)該缺陷時，其展現(xiàn)了跨非輻射的單重態(tài)(1A),繼之以隨后弛豫入ms=0的較高可能性。因此，可將該自旋狀態(tài)光學讀取，ms=0狀態(tài)為“亮”，且ms=±l狀態(tài)為暗。當施加外部磁場時，通過塞曼(Zeeman)分裂將該自旋支能級^二土 I的簡并度破壞。這導致該共振線取決于所施加的磁場量級和其方向而分裂?？蓪⒃撘蕾囆杂糜谑噶看帕y定，因為通過掃頻微波(MW)頻率而可探測共振自旋躍遷，導致了在如來自Steinert等人的圖2a中所顯示的光學探測的磁共振(ODMR)光譜中的特征下沉(characteristicdips)。
[0009]Steinert等人采用了離子注入以產(chǎn)生帶負電的N'T中心進入超純{100}類型IIa金剛石中的均勻?qū)?。由于來自多個傳感自旋的放大的突光信號，發(fā)現(xiàn)該整體N'T傳感器提供了較高的磁靈敏度。因為該金剛石晶格施加如來自Steinert等人的圖2b所顯示的四個不同的四面體NV—取向，所以另一個選擇為矢量重構(gòu)?？蓪⒃摯艌鲅剡@些軸的每一個的投影作為單獨復合光譜和用于重構(gòu)全部磁場矢量的數(shù)值算法而測量。該外部磁場的量級(B)
和取向(ΘΒ, φΒ)可通過分析基于不受約束的最小二乘法算法的ODMR譜進行計算。
[0010]生產(chǎn)適用于量子應用的材料的一個主要問題是防止量子自旋缺陷消相干，或至少延長系統(tǒng)消相干所花費的時間(即延長該“消相干時間”)。在例如量子計算的應用中，該長的T2時間是需要的，因為其允許用于量子門陣列操作的更多時間和因此允許進行更復雜的量子計算。對于提高對傳感應用中的電和磁環(huán)境中的改變的靈敏度，長的T2時間也是需要的。
[0011]W02010010344公開了可將具有高化學純度，即低的氮含量的單晶合成CVD金剛石材料用于形成包含量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)，其中該金剛石材料的表面已被加工以將晶體缺陷的存在最小化。在將該材料用作量子自旋缺陷的主體時，在室溫下獲得了長的T2時間，且用于向裝置讀/寫的光躍遷的頻率是穩(wěn)定的。
[0012]W02010010352公開了通過仔細控制制備單晶合成CVD金剛石材料的條件，可提供結(jié)合了非常高的化學純度和非常高的同位素純度的合成金剛石材料。通過控制在CVD過程中所使用的材料的化學純度和同位素純度，可獲得特別適合用作量子自旋缺陷的主體的合成金剛石材料。當將該材料用作用于量子自旋缺陷的主體時，在室溫下獲得了長的1~2時間，且用于向裝置讀/寫的光學躍遷的頻率為穩(wěn)定`的。公開了合成金剛石材料的層，其具有低的氮濃度和低的13C濃度。該合成金剛石材料的層具有非常低的雜質(zhì)水平和非常低的相關點缺陷水平。此外，該合成金剛石材料的層還具有低的位錯密度、低應變和空位以及足夠接近與生長溫度相關的熱力學值的自間隙濃度，其光學吸收對完美的金剛石晶格是必不可少的。
[0013]根據(jù)以上可見，W02010010344和W02010010352公開了制造高純度“量子等級”單
晶合成CVD金剛石材料的方法。術語“量子等級”在本文中用于適用于利用材料的量子自旋性質(zhì)的應用中的金剛石材料。例如，量子等級金剛石材料的高純度使其可使用對本領域的技術人員來說已知的光學技術將單一缺陷中心隔離。術語“量子金剛石材料”也用于意指該材料。
[0014]量子材料的一個問題是，來自在該材料中的量子自旋缺陷的單光子發(fā)射可為非常弱的。例如，金剛石中的NV_缺陷展現(xiàn)了與約0.05的德拜-沃勒因子有關的寬光譜發(fā)射，即使是在低溫下。因而，零聲子線(ZPL)中的單光子的發(fā)射是極其弱的，一般為約幾千個光子每秒。該計數(shù)速率對基于自旋狀態(tài)和在合理的數(shù)據(jù)獲取時間內(nèi)的光躍遷之間的耦合的先進的QIP協(xié)議的實現(xiàn)可為不充分的。
[0015]除了弱發(fā)射的問題，明顯地，金剛石材料的高折射率意指由于總的內(nèi)部反射，在小的立體角內(nèi)可收集非常少的光子。因此，需要提高來自用于包括磁力測定和量子信息處理的應用的金剛石材料中的量子自旋缺陷的光收集。在該方面，W02010010344和W02010010352公開了該文中所討論的量子等級金剛石材料可具有表面，該表面具有宏觀曲率，例如具有約IOym-約IOOym之間的曲率半徑以收集和聚焦來自量子缺陷中心的光輸出的透鏡。
[0016]盡管如此，仍需要進一步提高來自用于量子裝置應用的金剛石材料中的量子自旋缺陷的發(fā)射強度和/或光收集。而且，為了傳感應用，需要提高量子金剛石材料中的量子自旋缺陷的靈敏度。而且，為了某些應用，例如量子信息處理，需要改善兩個或更多個量子自旋缺陷之間的耦合的強度。最終，為了某些應用，需要改善在量子金剛石材料中的量子自旋缺陷的傳感和發(fā)射功能的方向性。連同金剛石量子材料，該發(fā)展將改善金剛石量子裝置的性能和/或輔助使進行傳感、探測和/或處理功能所需的相關裝置部件簡化和小型化。盡管以上已討論了關于NV_缺陷的該問題，但是要理解，對合成金剛石材料內(nèi)的其他點缺陷類似的問題也是明顯的。
[0017]本發(fā)明的某些實施方案的目標是至少部分解決前述問題的一個或多個。
[0018]發(fā)明概述
[0019]近期報道了在合成CVD金剛石材料中的兩個含硅缺陷的擇優(yōu)對齊(參見“EPRof a defect in CVD diamond involving both silicon and hydrogen that showspreferential alignment”，Physical Review B82，155205 (2010))。已建議在生長狀態(tài)的CVD金剛石中的缺陷的該擇優(yōu)取向可提供生長方向的印記(f ingerprint),闡述在生長表面上出現(xiàn)的過程，且提供后生長處理的證物和/或提供對缺陷遷移機制的見解。即，可將兩個硅缺陷的擇優(yōu)取向用作確定如何制造單晶金剛石材料和因此將該材料與其他類型的金剛石材料區(qū)分的手段。這對作為將寶石分類以區(qū)分例如經(jīng)處理的寶石與未經(jīng)處理的寶石的手段可為有用的。
[0020]本發(fā)明人現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)，在合成CVD金剛石材料中的其他點缺陷也可為擇優(yōu)對齊，特別是發(fā)現(xiàn)NV_缺陷在量子自旋應用中是有用的，如上所述。而且，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過合適基材的仔細選擇、該基材的生長表面的仔細加工和CVD生長條件的仔細控制，可實現(xiàn)非常高的程度的點缺陷對齊(alignment)。而且，本發(fā)明人認識到可將點缺陷的擇優(yōu)對齊用于提高來自用于傳感、探測和量子裝置應用中的合成CVD金剛石材料的點缺陷的發(fā)射強度和/或光收集，提高在該應用中的點缺陷的靈敏度，改善點缺陷之間的耦合強度且改善點缺陷的傳感的方向性和發(fā)射功能。連同合成CVD金剛石材料，該發(fā)展可改善傳感、探測和量子裝置的性能，和/或輔助使進行傳感、探測和/或處理功能所需的相關裝置部件簡化和小型化。這些認識允許將單晶合成CVD金剛石材料具體設計為具有用于特別應用的所需類型的高度對齊的缺陷。而且，這些認識允許將裝置部件具體設計為將擇優(yōu)取向的缺陷的使用優(yōu)化。即，可將裝置的配置設計為在單晶合成CVD金剛石材料內(nèi)的點缺陷的擇優(yōu)取向進行最大利用，因此改善性能。
[0021]根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明的第一個方面提供了單晶合成CVD金剛石材料，其包含:
[0022]生長扇區(qū)(sector);和
[0023]在該生長扇區(qū)內(nèi)的一個或多個類型的多個點缺陷，
[0024]其中至少一個類型的點缺陷在該生長扇區(qū)內(nèi)擇優(yōu)對齊，[0025]其中所述至少一個類型的點缺陷的至少60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、98%或99%顯示所述擇優(yōu)對齊，且
[0026]其中所述至少一個類型的點缺陷為帶負電的氮空位缺陷(NV_)。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了用于在傳感、探測或量子自旋裝置中使用的合成CVD金剛石裝置部件，所述裝置部件由上述材料形成。在該裝置部件中，優(yōu)選提供具有相對于擇優(yōu)對齊的點缺陷形成的位置或取向的外耦合表面或結(jié)構(gòu)以改善來自點缺陷的光的外率禹合(out coupling)。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了包含如上所述的裝置部件的裝置。該裝置可包含用于將在單晶合成CVD金剛石材料中的多個擇優(yōu)對齊的點缺陷的一個或多個進行光泵浦的光源?？蓪⒃摴庠聪鄬τ趽駜?yōu)對齊的點缺陷取向以改善光源和點缺陷之間的耦合。
[0029]該裝置可任選包含配置用來與擇優(yōu)對齊的點缺陷相互作用的其他部件。例如，該裝置可包含用于探測來自單晶合成CVD金剛石材料中的一個或多個擇優(yōu)對齊的點缺陷的發(fā)射的探測器?？蓪⒃撎綔y器相對于一個或多個擇優(yōu)取向的點缺陷設置和取向以改善該探測的靈敏度和/或方向性。
[0030]該裝置可任選包含震蕩電磁發(fā)生器，例如無線電頻率或微波發(fā)生器，用于操控在單晶合成CVD金剛石材料中的一個或多個擇優(yōu)取向的點缺陷?？蓪⒃撐⒉òl(fā)生器相對于一個或多個擇優(yōu)取向的點缺陷設置和取向以改善發(fā)生器和點缺陷之間的耦合。例如，在磁力計應用中，可將微波發(fā)生器配置為掃描用于操控在單晶合成CVD金剛石材料中的多個點缺陷中的一個或多個的微波頻率范圍。在自旋共振裝置應用中，可將微波發(fā)生器配置為掃描用于操控在單晶合成CVD金剛石材料中的多個擇優(yōu)對齊的點缺陷中的一個或多個的微波頻率的范圍，該自旋共振裝置還包含配置為掃描用來操控在樣品內(nèi)的量子自旋的頻率范圍的無線電或微波頻率發(fā)生器，該樣品設置于鄰近該單晶合成CVD金剛石材料。
[0031]該裝置可任選形成包含用于接收流體樣品的微流體通道的微流體裝置，該單晶合成CVD金剛石材料位于鄰近該微流體通道。可將該微流體通道和點缺陷取向為彼此相對，以改善在該單晶合成CVD金剛石材料中的流體樣品和點缺陷之間的耦合。
[0032]該裝置可任選為自旋共振成像設備，將該探測器配置為空間分辨來自單晶合成CVD金剛石材料中的多個擇優(yōu)對齊的點缺陷的發(fā)射以形成自旋共振圖像。
[0033]該裝置可任選地形成量子信息處理裝置。例如，可將微波發(fā)生器配置為選擇性地操控在單晶合成CVD金剛石材料中的多個擇優(yōu)對齊的點缺陷以將信息寫入多個擇優(yōu)對齊的點缺陷，該探測器配置為將多個擇優(yōu)對齊的點缺陷中的一個或多個選擇性地編址(address)以從缺陷讀取信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]為了更好地理解本發(fā)明，且顯示如何使其發(fā)揮作用，參考附圖，以舉例的方式，現(xiàn)在將描述本發(fā)明的實施方案，其中:
[0035]圖1a說明了 NV_缺陷的原子結(jié)構(gòu)；
[0036]圖1b說明了 NV_缺陷的電子結(jié)構(gòu)；
[0037]圖2a說明了通過由變化的微波頻率操控的多個NV—缺陷獲得的特征熒光譜；
[0038]圖2b說明了在金剛石晶體中的四個晶體學NV—軸的取向；[0039]圖3說明了具有遮擋的{110}晶面的金剛石單胞，且顯示了兩個可能的面內(nèi)NV_取向中的一個和兩個可能的面外NV_取向中的一個；
[0040]圖4顯示了制造用于在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的金剛石量子裝置中使用的單晶CVD合成金剛石材料的{110}取向的層的方法；
[0041]圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0042]圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0043]圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0044]圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0045]圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0046]圖10顯示了包含用于在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的金剛石量子裝置中使用的單晶CVD合成金剛石材料的{110}取向的層的微流體單元(cell)的示意圖；和
[0047]圖11顯示了與例如在圖10中說明的微流體單元一起使用的自旋共振裝置的示意圖。
[0048]某些實施方案詳述
[0049]本發(fā)明的實 施方案基于以下的認識:通過合適基材的仔細選擇，該基材的生長表面的仔細處理，和CVD生長條件的仔細控制，可實現(xiàn)在單晶合成CVD金剛石材料中的高程度的點缺陷對齊，且這可用于改善在傳感、探測和量子自旋裝置應用中的靈敏度和/或方向性。
[0050]通過提供具有生長面的單晶金剛石基材可制造上述單晶CVD合成金剛石材料和裝置部件，該生長面具有等于或小于5X IO3個缺陷/_2，優(yōu)選等于或小于IO2個缺陷/mm2的缺陷密度，如揭露性(revealing)等離子體蝕刻所揭露的。該生長面可由CVD合成金剛石的單晶、單晶天然金剛石或單晶HPHT合成金剛石形成。而且，可選擇和加工該單晶金剛石基材的生長面以位于晶面的5°以內(nèi)，該晶面并非{100}晶面，特別是{110}、{111}或{113}晶面。例如，可選擇和加工該單晶金剛石基材的生長面以位于所需晶面的0.1°~5°、0.1°~3°、0.1°~2°、0.1°~1°或0.5°~1°內(nèi)。然后，單晶合成CVD金剛石材料的層可在含有摻雜劑的氣體的存在下在生長面上生長，其中控制該生長以形成單晶合成CVD金剛石材料，擇優(yōu)對齊的NV—點缺陷。
[0051]在合成期間，用于CVD生長的工藝氣體可包含濃度不大于該工藝氣體的5%、4%、3%或2%的含碳源氣體。而且，優(yōu)選將生長速率進行控制以使其為慢的，且進行控制以降低不同取向的微刻面的形成。
[0052]如本文中所述的實現(xiàn)擇優(yōu)對齊的缺陷的一種方式包括多階段生長方法。在第一階段中，制備包含(001)生長表面的單晶金剛石基材，該表面具有等于或小于5 X IO3個缺陷/_2的缺陷密度，如由揭露性等離子體蝕刻所揭露的。在(001)生長表面上生長單晶CVD合成金剛石的第一層。然后，將該單晶CVD合成金剛石的第一層切片以形成{110}生長面，且將該{110}生長面進行處理，使得其具有等于或小于5X103個缺陷/mm2，優(yōu)選等于或小于IO2個缺陷的/mm2的缺陷密度，如由揭露性等離子體蝕刻所揭露的。之后，進行第二個生長階段，其中在含有摻雜劑的氣體的存在下，在{110}生長面上生長單晶合成CVD金剛石材料的層以形成具有擇優(yōu)對齊的NV —點缺陷的單晶合成CVD金剛石材料。
[0053]盡管上述方法利用了 {110}生長面，但該單晶金剛石基材的生長面可選為位于{110}、{111}或{113}晶面，最優(yōu)選{110}晶面的5°內(nèi)。因此，該擇優(yōu)對齊的缺陷將被設置于在單晶合成CVD金剛石材料的層內(nèi)的{110}、{111}或{113}生長扇區(qū)，最優(yōu)選{110}生長扇區(qū)中。相對于{110}、{111}或{113}的晶面，優(yōu)選{110}晶面，擇優(yōu)對齊可為面外的。任選地，相對于{110}晶面，擇優(yōu)對齊在〈111〉方向面外。
[0054]此外，擇優(yōu)對齊的缺陷可接近{110}、{111}或{113}外表面，例如，如果單晶合成CVD金剛石材料的層制造為薄的。最優(yōu)選地，擇優(yōu)對齊的缺陷接近{110}外表面。因為外表面可不位于完全沿晶面，所以{110}、{111}或{113}外表面可定義為位于{110}、{111}或{113}晶面的5°內(nèi)的外表面。擇優(yōu)對齊的缺陷可設置于距該取向的外表面等于或小于100 μ m、50 μ m、20 μ m、10 μ m、l μ m、500nm、200nm、50nm、20nm或 IOnm 的距離。這樣的設置在提取從正在使用的缺陷所發(fā)射的光子方面可為有利的，同時降低了在金剛石材料層內(nèi)吸收的光子的數(shù)目。
[0055]可將該單晶金剛石基材進行加工，使得生長面接近，但輕微地離開(off-cut)所述晶面。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果將單晶金剛石基材的生長面取向為所需晶面的0.1°~5。、
0.1°~3°、0.1°~2°、0.1°~1°或0.5°~1°范圍內(nèi)，那么可獲得在生長狀態(tài)的單晶合成CVD金剛石材料內(nèi)的更好程度的點缺陷的優(yōu)選對齊。盡管{110}、{111}和{113}晶體學生長表面具有對稱性特征，其允許擇優(yōu)對齊，但認為{110}生長表面是優(yōu)選的，因為{111}晶體學生長表面傾向于納入許多不需要的缺陷，且一般為其上難以生長的表面，而{113}生長表面難以制備。
[0056]除了以上所述，還發(fā)現(xiàn)通過以相對低的生長速率使單晶合成CVD金剛石材料生長使得點缺陷可在它們最熱力學穩(wěn)定的方向上以單元方式生長，可獲得點缺陷的更好程度的擇優(yōu)對齊。需要的具體生長速率將根據(jù)特定的生長條件、CVD化學組成和待擇優(yōu)對齊的點缺陷的類型而變化。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用相對低的碳氣體源(例如甲烷)，例如不超過工藝氣體的5%、4%、3%或2%來生長該單晶合成CVD金剛石材料是有益的。盡管低碳氣體源可降低生長速率，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)改善了點缺陷的擇優(yōu)對齊。作為替代或補充，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些設置中使單晶合成CVD金剛石材料以相對低的生長溫度生長是有益的。在該方面，可控制在其上生長單晶合成CVD金剛石材料的基材`的溫度，使得在該基材的生長表面處的溫度等于或小于1100°C、1050°C、1000°C、950°C、900°C、850°C或800V。該基材的生長表面處的溫度優(yōu)選大于650°C、70(TC或750°C。以此方式，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可獲得點缺陷的更好程度的擇優(yōu)對齊。
[0057]相關于以上內(nèi)容，盡管不為理論所束縛，但認為在生長期間的生長表面粗糙化可產(chǎn)生不同取向的微刻面，且在不同的晶面上生長的材料降低了點缺陷的擇優(yōu)取向?；牡淖屑氝x擇和制備以及CVD生長過程的仔細控制可降低不同取向的微刻面的形成且提高點缺陷的擇優(yōu)取向。
[0058]例如，在金剛石晶格中，NV_中心C3v對稱軸可沿四個〈111〉晶軸的任何一個指向。對QIP應用而言，NV—光學偶極子的取向?qū)τ贜V—空腔耦合將是重要的。對于磁力測定應用，在其中NV—缺陷的全部或至少大部分為擇優(yōu)取向的總體系統(tǒng)中將獲得最高靈敏度的磁力計。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對在{110}晶體學表面上的CVD合成金剛石生長過程期間產(chǎn)生的NV_缺陷而言，對NV—取向的控制是可能的。特別地，已發(fā)現(xiàn)，在{110}取向生長期間，{110}晶面中的NV_缺陷的納入可為幾乎完全受到抑制的。
[0059]圖3說明了 {110}晶面被遮擋的金剛石單胞。一同顯示了兩個可能的面內(nèi)NV—取向之一與兩個可能的面外NV—取向之一。在{110}生長期間，面內(nèi)取向受到抑制，使得NV_缺陷的大部分取向為〈111〉對稱軸相對于{110}生長面面外。
[0060]這對于包括NV—缺陷的許多技術具有暗示意義，因為缺陷的擇優(yōu)取向可提高靈敏度、耦合強度和/或使其更易于制造裝置，因為偶極子發(fā)射的方向已知。例如:
[0061](i)因為更多的缺陷是對齊于相同的方向上，所以可改善塊體磁力計中的靈敏度。
[0062](ii)在單缺陷磁力計中可將mr缺陷對齊，使得其可優(yōu)化地與納米結(jié)構(gòu)例如納米柱耦合。
[0063](iii)在量子計算機中，可將總體NV_缺陷共振地耦合于超導量子比特，且由本發(fā)明的實施方案提供的改善的對齊可降低共振線寬。
[0064](iv)在基于量子計算方案的測量中，要求具有相同的光子，其使相同的缺陷(包括缺陷的取向)成為必要。
[0065] 盡管已知在{110}表面上的合成CVD金剛石材料的生長，但本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)在{110}取向的基材上的高品質(zhì)合成單晶CVD金剛石材料的生長對實現(xiàn)用于傳感、探測和量子裝置應用中的取向缺陷是有益的。在這個方面，W02010010344和W02010010352公開了量子等級CVD合成金剛石材料的生長可在金剛石基材上發(fā)生，在其上發(fā)生生長的基材的表面基本上為{100}、{110}或{111}取向的表面。據(jù)聲稱，對于基材的生長表面，這些表面是有利的，因為這些表面的每一個具有低指數(shù)，這意味著在表面中存在最小數(shù)目的臺階邊緣。而且據(jù)聲稱，優(yōu)選具有(001)主面的{100}取向的基材。與該聲稱的偏好相比，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)如果適當控制生長條件，高品質(zhì)的量子等級的單晶合成CVD金剛石材料在{110}、{111}或{113}取向的基材上的生長對實現(xiàn)用于量子裝置應用中的擇優(yōu)取向的NAT缺陷是有利的。
[0066]可使用電子順磁共振(EPR)譜分析合成CVD金剛石材料中的順磁點缺陷的取向。通過以不同的取向獲取譜，可確定特定的點缺陷的擇優(yōu)對齊是否出現(xiàn)和到了什么程度。例如，通過平行于和垂直于根據(jù)本發(fā)明的實施方案生長的單晶合成CVD金剛石材料的〈110〉生長表面獲取EPR譜，可確定基本上所有的NV_缺陷取向為〈111〉對稱軸相對于{110}生長面面外，即在〈iii〉或〈-ι-1i〉方向上,且基本上沒有mr缺陷納入生長面中的〈iii〉對稱軸，即在〈-11-1〉或〈1-1-1〉方向。在這種情況下，擇優(yōu)取向為相對于生長表面為〈111〉方向(〈111〉或〈-1-11?面外，如通過EPR分析所測量的，使得NV_缺陷的至少60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、98%、或99%在〈111〉方向上位于生長面之外。
[0067]盡管上述的測量技術并沒有使其可能區(qū)分在〈111〉和〈-1-11〉方向的兩個面外方向，但是通過他們對在生長表面處的生長機制的理解，發(fā)明人認為這導致了本質(zhì)上意指所有NV_缺陷的> 99.7%通過納入的N原子和生長面外的空位而生長。
[0068]盡管當合成CVD金剛石材料在{100}生長表面上生長時，通常對于NV_缺陷觀察不到該效應，但是通過他們的在生長表面處的生長機制的知識，本發(fā)明人相信也可使用{111}或{113}生長表面對于其它點缺陷類型觀察到類似的效應。的確，本發(fā)明人已經(jīng)對于NVH_缺陷和幾種含硅缺陷包括SiV°、SiV_和SiV2H°缺陷觀察到相似效應。基材的仔細制備和生長條件的仔細控制允許通過降低不同取向的微刻面的形成，提高了擇優(yōu)取向的水平。下面的討論澄清了我們所說的“擇優(yōu)取向”的意思。
[0069]在晶體中，遇到出現(xiàn)在不同取向處的化學方面相同的缺陷(或色心)。這些不同取向的缺陷的每一個可產(chǎn)生于使用與缺陷的對稱性適應的操作的集合中的一員，其不可能比晶體的對稱性更高。這些與對稱性相關的復制體(copy )可被稱為“與對稱性相關的位置”。
[0070]這些復制體的每一個可產(chǎn)生對與缺陷相關的性質(zhì)的獨特貢獻，所述性質(zhì)包括光吸收、光發(fā)射、電子順磁共振譜和其他光學、電子和機械性質(zhì)。
[0071]如果存在的不同取向的缺陷的任何一個的可能性與不同的與對稱性相關的位置的數(shù)目的倒數(shù)相等，則不存在對任何特別的缺陷取向的支持或反對的偏好；據(jù)說缺陷相對于可獲得的與對稱性相關的位置隨機取向。但是，如果不是這樣，且具體的缺陷取向或可能的缺陷取向的子集(sub-set)較其他更有利，則說該缺陷為擇優(yōu)取向的。擇優(yōu)對齊的量取決于在可獲得的位置上缺陷的分布。如果所有的化學性質(zhì)相同的缺陷僅僅在與對稱性相關的位置的集合中的一個是對齊的，則可將該缺陷描述為完全擇優(yōu)取向的。相對于與對稱性相關的位置的子集，更均勻的擇優(yōu)取向可為有用的，因為對于特定的應用，該子集可以相同的方式表現(xiàn)為完全擇優(yōu)取向的系統(tǒng)。為了解釋的目的而在下文給出可如何對于具有不同對稱性的缺陷計算擇優(yōu)取向的實施例。
[0072]實施例1:D2d
[0073]在具有Td對稱性的晶體中，存在具有D2d對稱性的缺陷的三種可能的與對稱性相關的位置(取向)。如果所有的與對稱性相關的位置為同等地可能，則該缺陷為隨機地取向。
[0074]如果發(fā)現(xiàn)一個特定的位置的可能性為η(其中O≤n≤ 1)，且對于其他兩個的每一個為(1-n)/2，則擇優(yōu)取向的程度可在如下之間變化:完全擇優(yōu)取向(n=1 ;100%擇優(yōu)對齊)、隨機取向(n=1/3 ;0%擇優(yōu)取向的)至可在三個可能的與對稱性相關(n=0)的位置中的僅兩個以同等可能性的取向。
[0075]如果三個可能的與對稱性相關的位置的占位可能性均不同，例如n、(1-n-ρ)/2和(1-n+ρ)/2，則在三個與對稱性相關的位置之中的不同分布的所有可能性受線0<n<1、P≥O且n+ρ≤1的約束。
[0076]實施例2 =C3v
[0077]沿與對稱性相關的位置的三次對稱軸的四個方向可取向為:[111]、
【權利要求】
1.單晶合成CVD金剛石材料，包含: 生長扇區(qū)；和 在該生長扇區(qū)內(nèi)的一個或多個類型的多個點缺陷， 其中至少一個類型的點缺陷在該生長扇區(qū)內(nèi)擇優(yōu)對齊， 其中所述至少一個類型的點缺陷的至少60%顯示所述擇優(yōu)對齊，且 其中所述至少一個類型的點缺陷為帶負電的氮空位缺陷(NV_)。
2.根據(jù)權利要求1的單晶合成CVD金剛石材料，其中所述至少一個類型的點缺陷的至少 65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、98% 或 99% 顯示所述擇優(yōu)對齊。
3.根據(jù)權利要求1或2的單晶合成CVD金剛石材料，其中所述擇優(yōu)對齊相對于{110}、{111}或{113}晶面，優(yōu)選{110}晶面是面外的。
4.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中所述擇優(yōu)對齊相對于{110}晶面為在〈111〉方向面外。
5.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該擇優(yōu)對齊的點缺陷位于單晶合成CVD金剛石材料的{110}、{111}或{113}生長扇區(qū)，優(yōu)選{110}生長扇區(qū)中。
6.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中擇優(yōu)對齊的點缺陷位于單晶合成CVD金剛石材料的外表面的IOOym內(nèi)，所述外表面為{110}、{111}或{113}表面，優(yōu)選{110}表面。
7.根據(jù)權利要求1或2的單晶合成CVD金剛石材料，其中擇優(yōu)對齊的點缺陷位于該單晶合成CVD金剛石材料的{100}生長扇區(qū)中。
8.根據(jù)權利要求1、2或7的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該擇優(yōu)對齊相對于{100}晶面為面外的。
9.根據(jù)權利要求1、2、7或8的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該擇優(yōu)對齊的點缺陷位于該單晶合成CVD金剛石材料的外表面的100 μ m內(nèi)，所述外表面為{100}表面。
10.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該單晶CVD合成金剛石層具有如下的一種或多種:等于或小于2(^口13、1(^口13、5口口13、]^口13或0.5ppb的中性單一取代的氮濃度；等于或小于 0.15ppb、0.lppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0OOlppb 或 0.00005ppb的 NV_ 濃度或等于或大于 0.lppm、0.5ppm、l.0ppm、2.0ppm、3ppm、4ppm 或 5ppm 的 NV_ 濃度；和等于或小于 0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01% 或 0.001% 的 13C 總濃度。
11.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中至少一個類型的點缺陷具有等于或大于0.05ms、0.lms、0.3ms>0.6ms、lms、5ms、或15ms的消相干時間T2,和等于或小于 800 μ s、600 μ s、400 μ s、200 μ s、150 μ s、100 μ s、75 μ s、50 μ s、20 μ s、或 I μ s 的相應T/值。
12.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該單晶合成CVD金剛石材料具有等于或大于0.lmm、0.5mm、或3mm的至少一個尺度。
13.根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料，其中該單晶合成CVD金剛石材料形成具有等于或大于0.1 μ m、I μ m、10 μ m、100 μ m、200 μ m或500 μ m的厚度的層。
14.裝置部件，其包含根據(jù)前述權利要求的任一項的單晶合成CVD金剛石材料。
15.根據(jù)權利要求14的裝置部件，其中在該單晶合成CVD金剛石材料的表面處形成外耦合結(jié)構(gòu)以提高光的外耦合，所述至少一個類型的點缺陷相對于所述外耦合結(jié)構(gòu)為擇優(yōu)對齊的。
16.根據(jù)權利要求15的裝置部件，其中在該單晶合成CVD金剛石材料的表面內(nèi)形成該外耦合結(jié)構(gòu)，由此通過該單晶合成CVD金剛石材料的表面整體形成該外耦合結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權利要求15或16的裝置部件，其中該外耦合結(jié)構(gòu)包含以下一種或多種:凸表面；顯微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹進或納米結(jié)構(gòu)；衍射光柵；菲涅耳透鏡；和涂層，例如減反射涂層。
18.裝置,包含: 根據(jù)權利要求14-17的任何一項的裝置部件；和 光源，其用于將單晶合成CVD金剛石材料中的多個點缺陷的一個或多個進行光學泵浦，所述至少一個類型的點缺陷相對于所述光源為擇優(yōu)對齊的。
19.根據(jù)權利要求18的裝置，還包含: 探測器，其用于探測來自單晶合成CVD金剛石材料中的一個或多個衰減的點缺陷的發(fā)射，所述至少一個類型的點缺陷相對于所述探測器擇優(yōu)對齊。
20.根據(jù)權利要求18或19的裝置，還包含: 微波發(fā)生器，其用于操控在單晶合成CVD金剛石材料中的多個點缺陷的一個或多個，所述至少一個類型的點缺陷相對于所述微波發(fā)生器擇優(yōu)對齊。
21.根據(jù)權利要求20的裝置，其中該裝置為磁力計，將該微波發(fā)生器配置為掃描微波頻率的范圍，用于操控在所述單晶CVD合成金剛石材料中的至少一個類型的點缺陷的一個或多個。
22.根據(jù)權利要求20的裝置，其中該裝置為自旋共振裝置，將該微波發(fā)生器配置為掃描微波頻率的范圍，用于操控在單晶CVD合成金剛石材料中的所述至少一個類型的點缺陷的一個或多個，該自旋共振裝置還包含配置為掃描頻率范圍的無線電或微波頻率發(fā)生器，用于操控設置于鄰近單晶合成CVD金剛石材料的樣品內(nèi)的量子自旋。
23.根據(jù)權利要求22的裝置，其中該自旋共振裝置為微流體裝置，其包含用于接收流體樣品的微流體通道，該單晶合成CVD金剛石材料位于鄰近微流體通道。
24.根據(jù)權利要求22或23的裝置，其中自旋共振裝置為自旋成像裝置，該探測器配置為將空間分辨來自單晶合成CVD金剛石材料中的所述至少一個類型的點缺陷的發(fā)射以形成自旋共振圖像。
25.根據(jù)權利要求18的裝置，其中該裝置為量子信息處理裝置。
26.根據(jù)權利要求19、20和25的裝置，該微波發(fā)生器配置為選擇性地操控單晶合成CVD金剛石材料中的所述至少一個類型的點缺陷以向所述至少一個類型的點缺陷寫入信息，該探測器配置為對一個或多個所述至少一個類型的點缺陷進行選擇性編址以從所述至少一個類型的點缺陷讀取信息。
【文檔編號】C30B29/04GK103620093SQ201280030089
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月4日 優(yōu)先權日:2011年5月10日
【發(fā)明者】D·J·臺特申, M·L·馬卡姆 申請人:六號元素有限公司