合成金刚石材料制造技术

合成金刚石材料包含表面，其中该表面包含第一表面区域，所述第一表面区域包含量子自旋缺陷的第一浓度。第二表面区域具有预定的面积并且定位与该第一表面区域相邻，该第二区域包含量子自旋缺陷的第二浓度。量子自旋缺陷的第一浓度是量子自旋缺陷的第二浓度的至少十倍大，并且该第一或第二表面区域中的至少一个包含化学气相沉积(CVD)合成金刚石。还公开了制备该合成金刚石材料的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】合成金刚石材料专利
本专利技术涉及合成金刚石材料领域和制造合成金刚石材料的方法。
技术介绍
已经提出将合成金刚石材料中的点缺陷，特别是量子自旋缺陷和/或光活性缺陷用于各种传感、探测和量子处理应用中，包括：磁力计；自旋共振装置例如核磁共振(NMR)和电子自旋共振(ESR)装置；用于磁共振成像(MRI)的自旋共振成像装置；和量子信息处理装置例如用于量子计算。在合成金刚石材料中研究了许多点缺陷，包括：含有硅的缺陷例如硅-空位缺陷(Si-V)、硅二空位缺陷(Si-V2)、硅-空位-氢缺陷(Si-V:H)、硅二空位氢缺陷(S-V2:H)；含有镍的缺陷；含有铬的缺陷；和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-氢缺陷(N-V-H)。这些缺陷通常发现处于中性电荷状态或处于负电荷状态。将注意这些点缺陷延伸超过大于一个晶格点。如本文使用的术语点缺陷意图包括这样的缺陷但是不包括较大的簇缺陷，例如延伸超过十个或更多个晶格点的那些，或扩展缺陷例如位错，其可延伸超过许多晶格点。已经发现了某些缺陷在处于它们的负电荷状态时特别可用于传感、探测和量子处理应用。例如，合成金刚石材料中的荷负电的氮-空位缺陷(NV-)作为可用的量子自旋缺陷引起很多关注，因为它具有数个期望的特征，包括：(i)由于在室温下的长相干时间，可以高保真度相干操纵它的电子自旋状态(其可使用横向弛豫时间T2和/或T2*来量化和比较)；(ii)它的电子结构使缺陷被光泵浦至它的电子基态，从而允许这样的缺陷甚至在非低温温度下也被置于特定电子自旋状态。这可取消对于其中期望小型化的某些应用而言昂贵且笨重的低温冷却设备的需求。此外，缺陷可充当都具有相同自旋状态的光子的来源；和(iii)它的电子结构包含发射和未发射电子自旋状态，这允许通过光子读出缺陷的电子自旋状态。这方便从在传感应用例如磁力测定、自旋共振光谱法和成像中使用的合成金刚石材料读出信息。此外，它是使用NV-缺陷作为量子位用于长距离量子通信和大规模量子计算的关键因素。这样的结果使NV-缺陷成为固态量子信息处理(QIP)的竞争候选者。金刚石中的NV-缺陷由与碳空位相邻的置换氮原子组成。它的两个未成对电子形成处于电子基态的自旋三重态(3A)，退化的ms＝±1的次能级与ms＝0的能级分开2.87GHz。ms＝0的次能级在被光泵浦时表现出高荧光率。与此相反，当在ms＝±1的能级中激发缺陷时，它表现出较高的概率跨越至非辐射单重态(1A)，之后随后弛豫为ms＝0。结果是，可光学读出自旋状态，ms＝0的状态为“亮的”且ms＝±1的状态为暗的。当施加外部磁场时，通过Zeeman分裂破坏自旋次能级ms＝±1的简并。这引起共振线根据施加的磁场幅值和它的方向而分裂。在样品的激发和检测区域中存在所有四种可能的NV排列的情况下，这种依赖性可用于矢量磁力测定，因为可通过扫描微波(MW)频率来探测共振自旋跃迁，从而导致光学检测的磁共振(ODMR)谱中的特征下降。合成金刚石材料中的NV-缺陷可以许多不同的方式形成，包括：(i)在合成金刚石材料的生长过程中形成，其中在生长过程中将氮原子和空位并入晶格中作为氮-空位对；(ii)在金刚石材料合成之后由生长工艺过程中并入的原生氮和空位缺陷通过在引起空位缺陷迁移通过晶格从而与原生单一置换氮缺陷配对的温度(约800℃)下将材料生长后退火而形成；(iii)在金刚石材料合成之后由生长工艺过程中并入的原生氮缺陷通过用电子或中子辐照合成金刚石材料以引入空位缺陷并且随后在引起空位缺陷迁移通过晶格从而与原生单一置换氮缺陷配对的温度下将材料退火而形成；(iv)在金刚石材料合成之后通过在金刚石材料合成之后将氮缺陷植入合成金刚石材料中并且然后在引起原生空位缺陷迁移通过晶格从而与植入的单一置换氮缺陷配对的温度下将材料退火而形成；和(v)在金刚石材料合成之后通过辐照合成金刚石材料以引入空位缺陷、在辐照之前或之后将氮缺陷植入合成金刚石材料中并且在引起空位缺陷迁移通过晶格从而与植入的单一置换氮缺陷配对的温度下将材料退火而形成。在现有技术中公开了各种不同类型的金刚石材料用于在各种不同类型的磁力测定应用中使用，包括：Acosta等人Phys.Rev.B80，115202，其讨论用于磁力测定应用的高压高温(HPHT)金刚石材料的性质；WO2010/010352和WO2010/010344，其公开了低氮含量单晶化学气相沉积(CVD)金刚石材料用于例如磁力测定的应用；和WO2010/149775，其公开了经辐照和退火的单晶CVD金刚石材料用于例如磁力测定的应用。
技术实现思路
虽然提出了各种类型的金刚石材料用于磁力测定应用，但是本专利技术实施方案的目的是优化用于新的传感应用的金刚石材料。根据第一方面，提供了合成金刚石材料，所述合成金刚石材料包含表面，其中该表面包含第一表面区域，所述第一表面区域包含量子自旋缺陷的第一浓度。第二表面区域具有预定的面积并且位于与第一表面区域相邻，该第二区域包含量子自旋缺陷的第二浓度。量子自旋缺陷的第一浓度是量子自旋缺陷的第二浓度的至少十倍大，并且该第一或第二表面区域中的至少一个包含化学气相沉积(CVD)合成金刚石。可将不同类型的量子自旋缺陷设计在合成金刚石材料中。金刚石中的量子自旋缺陷的实例包括含有硅、镍、铬、锗、锡和氮中任何的缺陷。这些缺陷中的一些可为荷负电的、中性的或荷正电的。作为选择，量子自旋缺陷是荷负电的氮-空位缺陷NV-。量子自旋缺陷的第一浓度任选为量子自旋缺陷的第二浓度的至少一百倍大。可将本专利技术应用于任何类型的表面，包括基本上平面的表面。量子自旋缺陷的第一浓度任选地等于或大于：1×1013个缺陷/cm3、1×1014个缺陷/cm3、1×1015个缺陷/cm3、1×1016个缺陷/cm3、1×1017个缺陷/cm3、1×1018个缺陷/cm3。第一表面区域中的量子自旋缺陷的浓度任选地等于或小于：4×1018个缺陷/cm3、2×1018个缺陷/cm3、1×1018个缺陷/cm3、1×1017个缺陷/cm3、或1×1016个缺陷/cm3。作为选择，量子自旋缺陷具有Hahn-回波退相干时间T2等于或大于0.01ms、0.05ms、0.1ms、0.3ms、0.6ms、1ms、5ms或15ms。合成金刚石材料任选包含多个第一表面区域。第一区域在平面的前表面下方的深度任选在100nm和100μm之间。作为另外的选择，该表面还包含第三表面区域，该第三表面区域包含硼。硼掺杂使金刚石导电，并因此这可用于在第一表面区域附近施加电场。作为选择，第二表面区域围绕第一表面区域。根据第二方面，提供了制造如在第一方面中描述的合成金刚石材料的方法。该方法包括提供具有前表面的合成金刚石基材。使用CVD工艺以在单晶金刚石基材的前表面上方生长另外的金刚石材料。然后加工该合成金刚石基材的该前表面从而形成具有与金刚石基材材料的第二表面区域相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.合成金刚石材料，包含：/n表面，其中该表面包含：/n包含量子自旋缺陷的第一浓度的第一表面区域；/n具有预定的面积并位于与该第一表面区域相邻的第二表面区域，该第二区域包含量子自旋缺陷的第二浓度，其中量子自旋缺陷的第一浓度是量子自旋缺陷的第二浓度的至少十倍大；并且/n其中该第一或第二表面区域中的至少一个包含化学气相沉积CVD合成金刚石。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180126 GB 1801288.01.合成金刚石材料，包含：
表面，其中该表面包含：
包含量子自旋缺陷的第一浓度的第一表面区域；
具有预定的面积并位于与该第一表面区域相邻的第二表面区域，该第二区域包含量子自旋缺陷的第二浓度，其中量子自旋缺陷的第一浓度是量子自旋缺陷的第二浓度的至少十倍大；并且
其中该第一或第二表面区域中的至少一个包含化学气相沉积CVD合成金刚石。


2.根据权利要求1所述的合成金刚石材料，其中量子自旋缺陷选自以下任何缺陷：
含有硅的缺陷；
含有镍的缺陷；
含有铬的缺陷；
含有锗的缺陷；
含有锡的缺陷；和
含有氮的缺陷。


3.根据权利要求1所述的合成金刚石材料，其中量子自旋缺陷是荷负电的氮-空位缺陷NV-。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的合成金刚石材料，其中量子自旋缺陷的第一浓度是量子自旋缺陷的第二浓度的至少一百倍大。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的合成金刚石材料，其中表面是基本上平面的表面。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的合成金刚石材料，其中量子自旋缺陷的第一浓度等于或大于：1×1013个缺陷/cm3、1×1014个缺陷/cm3、1×1015个缺陷/cm3、1×1016个缺陷/cm3、1×1017个缺陷/cm3、1×1018个缺陷/cm3。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的合成金刚石材料，其中第一表面区域中的量子自旋缺陷的浓度等于或小于：4×1018个缺陷/cm3、2×1018个缺陷/cm3、1×1018个缺陷/cm3、1×1017个缺陷/cm3、或1×1016个缺陷/cm3。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的合成金刚石材料，其中量子自旋缺陷具有的Hahn-回波退相干时间T2等于或大于0.01ms、0.05ms、0.1ms、0.3ms、0.6ms、1ms、5ms或15ms。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的合成金刚石材料，还包含多个第一表面区域。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的合成金刚石材料，其中第一区域在平面的前表面下方的深度在100nm和100μm之间。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的合成金刚石材料，其中该表面还包含第三表面区域，...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·L·马卡姆，A·M·埃德蒙斯，
申请(专利权)人：六号元素技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB