【《金刚石色心研究现状文献综述》2900字】

金刚石色心研究现状文献综述固体材料的结构缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。由于金刚石的带隙较宽，可容纳各种各样的光学缺陷，使金刚石空穴与杂质形成色心。金刚石色心通常为材料的点缺陷，包含空位、空位团和杂质原子等[26]。1.1金刚石晶体结构金刚石作为一种稀缺的贵重非金属资源，在人们的日常生活中扮演者重要的角色，从古至今一直是人类广泛研究的对象。由于金刚石中碳原子间的成键方式为sp3杂化，使得金刚石具有配位数为4的正四面体结构。金刚石结构图如图1.1所示，金刚石基本性质如表1.1所示。按照金刚石中的杂质进行分类，可分为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石。Ⅰ型金刚石含有氮杂质较多，是生活中常见的金刚石。将Ⅰ型金刚石进一步分为Ⅰa和Ⅰb型金刚石，Ⅰa型金刚石含氮量较多，天然存在的金刚石主要以Ⅰa型为主。Ⅱ型金刚石是一种稀有昂贵的金刚石，含有极少量氮元素。Ⅱ型金刚石固态导热率最高，主要应用于高精尖领域。将Ⅱ型金刚石进一步分类，分为Ⅱa和Ⅱb型金刚石。Ⅱa型金刚石是天然纯净的金刚石，几乎不含有任何杂质。Ⅱb型金刚石不含有氮杂质，含有微量的硼和铝杂质，具有半导体性能。自然界存在的Ⅱ型金刚石极少，大多数是由人工合成的金刚石，通常显现的颜色为黄色。金刚石作为当今自然界中硬度最高的矿物质，是碳以结晶体的形式存在于温度高和压力大的的环境中，引起了研究学者的广泛兴趣。金刚石中碳原子共价键之间强烈的相互作用使金刚石拥有独特的电子性能。金刚石具有卓越的物理和化学性质，例如极高的化学性与耐热性、高硬度、高热导率和良好的生物兼容性。由于上述特性，使得金刚石在电子学、光子学和集成量子光子学有着潜在的应用价值。金刚石独特的性能在晶体材料研究领域有着不可替代的研究意义，随着科学进步和技术提升得到了普遍的应用。表1.1金刚石的基本性质属性典型值晶格常数3.567Å密度3.52g/cm2熔点3500℃弹性模量90000kg/mm电阻率5×104Ω.cm介质击穿电压106~107V.cm-1热导率20W/cm.K静介电常数5.5电子饱和速率1.5~2.7×107cm/s电子迁移率2200cm2/V.s图1.1金刚石晶胞结构图[27]从表1.1金刚石的基本性质可知，金刚石具有极高的热传导率、小的介电常数、高载流子饱和速度、高载流子迁移率、优良的光学特性和宽禁带带隙。由于金刚石的带隙较宽，可以适应各种光学活性缺陷[8]，具有施主受主的结构缺陷而产生各种光致发光现象。通常纯净的金刚石是无色透明的，但是从化学组成的角度来看，一般会含有少量的杂质元素，例如氮元素、硼元素、磷元素和镁元素等。杂质会使金刚石显现出各种各样的颜色，例如黄色、绿色、蓝色[28]等颜色。纯净的金刚石晶格中存在一些杂质，这些杂质导致了新的电子状态与振动，从而产生了光学中心，形成金刚石色心[1]。近年来金刚石色心已成为热点的前沿研究课题，其性质如下：(1)发光稳定且亮度大，可以在室温下稳定发光。(2)在室温下，金刚石色心的零声子线几乎不受电场和应力的影响。(3)基态自旋的光学极化和光学读取。(4)金刚石缺陷由于声子态密度低，使其具有低电子声子耦合的特点。(5)制备方法的多样性。1.2金刚石NV色心金刚石缺陷中研究最广泛的光学中心为NV色心，NV色心可以用作超亮、高偏振和窄带的单光子发射器，在量子信息处理和量子光子学中着广阔的研究前景，备受人们的关注。1997年，Wrachtrup[29]等首次检测出金刚石NV色心，这成为基于金刚石量子技术发展的一个关键点，得到了物理学家们广泛关注。NV色心的的稳定构型为金刚石中一个氮原子替代一个碳原子且周围存在一个空位，形成的点缺陷称为NV色心[30]。图1.2金刚石NV色心结构图实验制备金刚石NV色心的方法分别为高温高压法（HPHT）、化学气相沉积法(CVD)和离子注入法。根据金刚石中含氮量的多少以选取不同的实验方法。若金刚石的含氮量较多，可以选择高温高压法；若金刚石中含氮量较少，则选择离子注入法制备金刚石NV色心。按照电荷状态可分为带负电荷的NV色心（NV-）和带中性电荷的NV色心（NV0），研究表明NV色心正电荷与负电荷之间可以相互转换，发生在金刚石带隙深处的离散缺陷能级之间，而价带和导带之间的连续能级不发生光学跃迁，所以NV色心被称为金刚石的深能级缺陷[32,33]。带有不同电荷状态的NV色心能级图如图1.3所示，实验测量的光谱图如图1.4所示，从图中可知NV-和NV0分别637nm和535nm处存在荧光峰。图1.3金刚石NV色心能级结构图[35]NV-(b)NV图1.4金刚石NV0和NV-的荧光光谱图[30]目前，金刚石NV-色心成为当下的研究热点[34]。NV-色心具有自旋特性的量子位，可以在室温传输和处理量子比特。NV-色心基态为自旋三重态，零声子线具有较强的光学跃迁，激发态寿命长，使其在电子器件中有着潜在的应用，例如高敏度的磁传感器、电传感器、量子计算和单光子源等领域。与NV-不同的是，NV0不能检测到双自旋基态（2E）和激发态（2A）相关的磁共振。NV0基态磁共振的缺失是由于动态Jahn-Teller效应的存在[35]。然而，研究发现NV0在连续光学照明下表现出EPR信号，信号来源于具有长寿命的自旋四重激发态(4A2)，该激发态由来自光学激发2A的非辐射衰变所填充[36]。迄今为止，研究者已经观察到EPR信号强度随着光学激发强度的增加而增加。1.3金刚石SiV色心1981年，Vavilov等人在金刚石的阴极发光研究中首次观察到SiV色心发光。SiV色心结构是由一个硅原子位于相邻两个碳空位之间组成的，结构图如图1.5所示。SiV色心实验制备可采用离子注入法和化学气相沉积法。研究者采用离子注入法制备出金刚石SiV色心，实验测得光子发射速率较低数量级仅为1000s-1，光致发光寿命为1.2ns。采用化学气相沉积法制备金刚石SiV色心测得光量子产率为0.05，实验表明金刚石SiV色心在温度低于100K时发光强度会大大增加。金刚石SiV色心的能级中基态与激发态的关系如图1.6所示，缺陷从基态2Eg跃迁到激发态2Eu可以直接或间接的方式通过高能级来实现，例如2A1g态，然后通过发射1.68eV（768nm）的光子返回到基态。SiV-色心在1.681eV具有明亮稳定的零声子线，宽度为5nm，70％的发射光都集中在ZPL附近，周围没有弱的声子伴线，可以使得在较高的信噪比下检测到SiV色心[37~39]。基于SiV色心的全同光子产生对于量子成像、量子计算和量子中继器均将有重要作用[42]。图1.5金刚石SiV色心结构图[40]图1.6金刚石SiV色心能级图[40]参考文献WeberJR,KoehlWF,VarleyJB,etal.Supplement:Quantumcomputingwithdefects[J].Proc.Natl.Acad.Sci.2010,107,8513-8518.StevenPrawer,IgorAharonovich.Quantuminformationprocessingwithdiamond:principlesandapplications[M].WoodheadPublishing,2014.宋学瑞．纳米金刚石中NV色心的制备与量子调控研究[D]．中国科学技术大学，2014．刘岩，基于金刚石色心的单光子产生及其荧光动力学研究[D]．华东师范大学，2016.高远飞．单晶金刚石中色心的光学性质研究[D]．郑州大学，2019．王俊峰．金刚石NV色心的制备、相干性与温度探测研究[D]．中国科学技术大学，2016．JenneweinT,SimonC,WeihsG,etal.QuantumCryptographywithEntangledPhotons[J].PhysicalReviewLetters,1999,84(20):4729.WrachtrupJ,JelezkoF.Processingquantuminformationindiamond[J].JournalofPhysicsCondensedMatter,2006,18(21):S807.NeumannP,KolesovR,NaydenovB,etal.Quantumregisterbasedoncoupledelectronspinsinaroom-temperaturesolid[J].NaturePhysics,2012,6(4).MazeJR,StanwixPL,HodgesJS,etal.Nanoscalemagneticsensingwithanindividualelectronicspinindiamond[J].Nature,2008,455(7213):644-647.DoldeF,FedderH,DohertyMW,etal.Electric-fieldsensingusingsinglediamondspins[J].NaturePhysics,2011,7(6):459-463.SchietingerS,BarthM,AicheleT,etal.Plasmon-enhancedsinglephotonemissionfromananoassembledmetal-diamondhybridstructureatroomtemperature[J].NanoLetters,2009,9(4):1694-1698.王宇．金刚石中高浓度NV色心的制备和光谱表征[D]．华东师范大学，2018．MagyarA,HuW,ShanleyT,etal.Synthesisofluminescenteuropiumdefectsindiamond[J].NatureCommunications,2014,5(3):3523.张洪杰．稀土纳米材料[M]．北京：化学工业出版社，2018．R.Jones.Structureandelectricalactivityofrare-earthdopantsinsemiconductors[J].Opt.Mater,2006,28:718–722.S.Sanna,W.G.Schmidt,T.Frauenheim,etal.Rare-earthdefectpairsinGaN:LDA+Ucalculations[J],Phys.Rev.B,80(2009)104120.N.M.Cecil,O.Walter,E.Meyer.AbinitiostudyofmetastabilityofEu3+defect