一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法技术

一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，属于光电器件用基体材料制备领域。步骤为：a.将高质量单晶金刚石抛光到表面粗糙度低于1nm；b.将剂量为高于1×10

A method of preparing the composite color center of diamond by ion implantation

【技术实现步骤摘要】
一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法
：本专利技术涉及光电材料应用领域；特别是对于量子信息处理等方面的光量子
通过采用能够精确控制的离子注入的方法实现可控的金刚石氮-镍色心制备，得到具有优异特性的近红外波段的单光子源金刚石色心。技术背景金刚石有着极其优异的物理化学性能，诸如宽禁带、高载流子迁移率、低介电常数、极高的Johnson指标和Keyse指标等等，被誉为高频高功率以及高温耐压领域的终极宽禁带半导体，也被称为第四代半导体。金刚石也是目前已知唯一一种具有在室温下其缺陷色心能够稳定产生单光子脉冲的材料。正是金刚石色心具有优异的光稳定性、高德拜温度以及室温可操控性，使得金刚石色心特别适用于诸如量子计算、量子密匙等在内的量子技术应用领域。截至目前，主要的金刚石单光子源包括氮空位色心(NV)，硅空位色心(SiV)和氮镍复合色心(NE8)。其中NV色心由于具有过宽的发射带、较低的采集率和过高的激发态寿命使得其零声子线仅仅是其全部荧光的一小部分。从而存在其单光子源的辨识度低，亮度不足的问题。而对于SiV，其相对较久的搁置态也减弱了其荧光强度。然而对于NE8色心，其不仅能够在室温实现单光子源的激发，而且有着位于800nm附近近红外波段的发射频率，且发射线宽窄、激发寿命更短以及单一线性极化特性等都使得其成为目前量子通信技术中成熟波段的高亮室温单光子源。T.Gaebel(NewJournalofPhysics,6,98,(2004))在天然IIa型金刚石总发现了NE8单光子色心。随后，学者们开始研究制备NE8色心，J.R.Rabeau(AppliedPhysicsLetters,86,131926,(2005))采用了金属镍纳米粉和金刚石纳米颗粒的混合液通过超声预处理氧化硅基底实现金刚石生长形核播种，并通过化学气相沉积过程中同步通入氮气的方法，得到了具有优异特性的单光子源的NE8色心。然而，该方法得到的色心浓度低且难以实现精确的控制。J.O.Orwa(JournalofAppliedPhysics,107,093512,(2010))尝试采用离子注入的方法试图实现NE8色心的制备，尽管采用了高达2000℃的高温高压处理，却只得到了其他类型的镍相关的光学色心而并未形成NE8色心。T.Lühmann(JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,51,483002,(2018))在研究氮离子注入金刚石的氮原子扩散和聚合运动与热处理温度关系时指出：聚合氮H3色心的形成需要保证足够高的离子注入剂量，过大的平均氮原子间距很难实现氮原子的扩散与聚合。通过实验及理论计算得出平均氮原子间距需保持在约1.7nm左右甚至更低。因此，通过离子注入金刚石实现制备NE8色心就必须保证氮离子注入剂量足以确保氮原子在金刚石内的平均间距足够近，故而氮离子注入剂量存在一定的下限。与此同时，对于金刚石通过离子辐照后经退火处理实现晶体恢复也存在着一定极限，这同样与辐照剂量密切相关，因此注入剂量上限也至关重要，过高的注入剂量会使金刚石晶格完全无定型化并在退火后形成石墨。此外，氮原子迁移机制所需克服的能量势垒也需要足够高的退火热处理温度。目前，通过离子注入实现NE8色心鲜有报道，已有尝试均存在离子注入剂量不合理而存在通过原子迁移形成聚合的概率极小的问题。总的说来，通过采用合理的离子注入剂量及后续热处理工艺，得以通过离子注入的方式来实现精确制备金刚石NE8色心。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提出一种通过离子注入的方法精确实现金刚石氮-镍复合色心的制备。采用精密抛光将高质量单晶金刚石抛光达到极低粗糙度后，对其进行剂量在1×1015cm-2至5×1016cm-2的氮离子注入，后对其进行真空或惰性气体保护或真空等离子体高温退火。并以与氮离子注入深度相同的镍离子注入所需能量对退火后的氮注入金刚石再次进行剂量为0.25×1015cm-2至1.25×1016cm-2(或低于)的镍离子注入。随之对其再次进行真空或惰性气体保护或真空等离子体高温退火，在金刚石晶格恢复的同时实现氮原子迁移和NE8复合金刚石色心的形成。本专利技术的技术方案为：一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，其特征在于通过离子注入的方法，在注入特定剂量的氮离子并经高温退火修复辐照损伤后，注入与其具有相同深度的且相当于1/4(或低于)氮离子剂量的镍离子，随之再次经高温退火后，实现精确制备NE8氮镍复合色心。步骤1：金刚石的研磨和抛光为达到电子器件或光电器件的应用和测试的需要，首先对高质量单晶金刚石进行精密抛光，抛光后实现表面粗糙度低于1nm。步骤2：金刚石的酸洗及预处理：为保证单晶金刚石表面光洁，去除可能存在的金属夹杂，碳氢化合物，石墨等，需要对金刚石的酸洗及预处理。步骤3：金刚石的氮离子注入；步骤4：氮离子注入后的金刚石退火处理；步骤5：退火后的镍离子注入；步骤6：二次离子注入后的金刚石退火处理。进一步地，步骤1所述的精密抛光步骤为：用颗粒度为40、20的金刚石微粉，进行预抛光24-48小时。然后更换金刚石粉颗粒度依次为10和2.5并重复上述步骤。后置于精密金刚石抛光盘上，在转速为40转/分钟，80转/分钟，120转/分钟情况下分别进行20-80小时，40-160小时和80-200小时。进一步地，步骤2所述金刚石的酸洗及预处理的步骤为：抛光后将金刚石样品置于HCl：H2SO4＝1：5的混合液中煮沸45分钟到1小时，后用去离子水冲洗；再依次置于丙酮溶液和无水乙醇中各超声清洗10-15分钟，吹干。进一步地，步骤3所述金刚石的氮离子注入的步骤为1)为保证氮离子注入金刚石后各氮原子间的平均间距保持在2nm以内，氮原子注入剂量需高于1×1015cm-2。2)由于离子注入过程会产生大量的金刚石晶格损伤。这种损伤可以通过高温热处理实现金刚石恢复。然而当损伤产生的空位浓度高过一定上限(空位浓度1×1022vac/cm3)后将会导致不可逆的损伤，使得金刚石晶格无法恢复。因此，氮原子注入剂量需低于5×1016cm-2。3)为避免在离子注入金刚石过程中在特定晶向发生沟道效应而对于离子注入深度精确性产生影响，注入角度调整为于金刚石表面呈7°夹角。进一步地，步骤4所述的氮离子注入后的金刚石退火处理步骤为：1)采用退火热处理来消除由于离子注入造成的金刚石晶格损伤。为确保金刚石在热处理过程中不发生氧化形成石墨，将注入后的金刚石置于采用真空或惰性气体保护或真空等离子体高温退火处理。2)退火温度需采用800℃，1000℃，1200℃条件下各持续1到2小时，以保证辐照产生的空位有足够的能量和时间发生移动、合并及消除。进一步地，步骤5所述退火后的镍离子注入的步骤为：1)由于两种原子的半径大小不一，所需注入的能量因此也有所不同。为确保氮原子和镍原子能够发生聚合，注入的氮原子与镍原子应保持在相同的注入深度。2)由于NE8色心由4个氮原子一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，其特征在于通过离子注入的方法，在注入特定剂量的氮离子并经高温退火修复辐照损伤后，注入与其具有相同深度的且相当于1/4或低于氮离子剂量的镍离子，随之再次经高温退火后，实现精确制备NE8氮-镍复合色心；/n步骤1：金刚石的研磨和抛光/n为达到电子器件或光电器件的应用和测试的需要，首先对高质量单晶金刚石进行精密抛光，抛光后实现表面粗糙度低于1nm；/n步骤2：金刚石的酸洗及预处理：/n为保证单晶金刚石表面光洁，去除可能存在的金属夹杂，碳氢化合物，石墨等，需要对金刚石的酸洗及预处理；/n步骤3：金刚石的氮离子注入；/n步骤4：氮离子注入后的金刚石退火处理；/n步骤5：退火后的镍离子注入；/n步骤6：二次离子注入后的金刚石退火处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，其特征在于通过离子注入的方法，在注入特定剂量的氮离子并经高温退火修复辐照损伤后，注入与其具有相同深度的且相当于1/4或低于氮离子剂量的镍离子，随之再次经高温退火后，实现精确制备NE8氮-镍复合色心；
步骤1：金刚石的研磨和抛光
为达到电子器件或光电器件的应用和测试的需要，首先对高质量单晶金刚石进行精密抛光，抛光后实现表面粗糙度低于1nm；
步骤2：金刚石的酸洗及预处理：
为保证单晶金刚石表面光洁，去除可能存在的金属夹杂，碳氢化合物，石墨等，需要对金刚石的酸洗及预处理；
步骤3：金刚石的氮离子注入；
步骤4：氮离子注入后的金刚石退火处理；
步骤5：退火后的镍离子注入；
步骤6：二次离子注入后的金刚石退火处理。


2.根据权利要求1所述通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，其特征在于步骤1所述的精密抛光步骤为：用颗粒度为40、20的金刚石微粉，进行预抛光24-48小时；然后更换金刚石粉颗粒度依次为10和2.5并重复上述步骤；再后置于精密金刚石抛光盘上，在转速为40转/分钟，80转/分钟，120转/分钟情况下分别进行20-80小时，40-160小时和80-200小时。


3.根据权利要求1所述通过离子注入制备金刚石氮镍复合色心的方法，其特征在于步骤2所述金刚石的酸洗及预处理的步骤为：
抛光后将金刚石样品置于HCl：H2SO4＝1:5的混合液中煮沸45分钟到1小时，后用去离子水冲洗；再依次置于丙酮溶液和无水乙醇中各超声清洗10-15分钟，吹干。


4.根据权利要求1所述通过离子注入制备金刚石氮-镍复合色心的方法，其特征在于步骤3所述金刚石的氮离子注入的步骤为：
1)为保证氮离子注入金刚石后各氮原子间的平均间距保持在2nm以内，氮原子注入剂量需高于1×1015cm-2；
2)由于离子注入过程会产生大量的金刚石晶格损伤；这种损伤可以通过高温热处理实现金刚石恢复；然而当损伤产生的空位浓度高过空位浓度1×1022vac/cm3后将会导致不可逆的损伤，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，郑宇亭，刘金龙，魏俊俊，陈良贤，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11