【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于量子科技、量子计算、量子网络、量子传感材料，具体涉及一种金刚石单nv色心的制备方法、所制备的单nv色心金刚石及其应用。
技术介绍
1、金刚石中的nv色心是由一个替位氮原子和其最近邻的碳空位组成的点缺陷。nv色心在天然金刚石中并不常见。金刚石中的nv色心主要通过直接生长或者是离子植入的方法形成。
2、直接生长是指在合成金刚石过程中通过空位产生技术和氮杂质掺杂来形成nv色心；目前，直接生长方法包括化学气相沉积法(cvd)和高压高温法(hpht)。如果想通过在生长过程中获得nv色心则需要较大的氮(n)含量，通常需要高于1ppm，较大的n含量则会导致nv色心的自旋相干以及光学相干性质发生恶化。而为了得到较高的相干性质来降低金刚石内部的氮含量，会使得在金刚石内部不能产生色心或产生率极低。
3、离子植入的基本原理是选择需要植入的杂质元素，将其转化为离子，通常采用等离子体离子源或溅射离子源，通过电磁场将离子加速至所需能量，以形成高能离子束，即，利用加速器产生高能离子束，将加速后的离子束垂直或斜向照射在待处理材料上，使离子穿透材料表面并沉积在特定深度处，实现将特定的原子植入到基体材料的晶格中。在金刚石基体中离子植入制备nv色心的具体操作为：以超高纯的金刚石作为基底，通过离子植入氮原子进入到金刚石的晶格内部，然后通过后期的常压退火产生nv色心。该种方法存在：植入率低、转换率低、nv色心分布不均匀、自旋相干以及光学相干性质发生恶化、制备难度大和成本较高的技术问题。
技术实现思路>
1、针对直接生长制备nv色心存在的nv色心的形成率低的技术问题，离子植入制备nv色心存在的损伤晶格的技术问题，本专利技术提供了一种金刚石单nv色心的新的制备方法。本专利技术提供的制备方法既不同于直接生长法，也不同于离子植入法，是通过对含氮金刚石进行高温高压退火而形成nv色心。
2、本专利技术的目的之一在于提供一种金刚石单nv色心的制备方法。
3、所述制备方法包括：含氮金刚石进行高温高压退火；其中，所述含氮金刚石的n含量≤1ppm，所述高温高压退火的温度为4.5～6.5gpa，所述高温高压退火的压力为1600～2000℃。
4、具体的，可以是将含氮金刚石组装到退火组合块中形成金刚石退火组合块，然后对金刚石退火组合块进行高温高压退火。退火组合块采用本领域的可以用于含氮金刚石进行退火的任意一种退火组合块。根据本专利技术公开的实施例，所述退火组合块可以由叶蜡石、白云石管、石墨管、套筒、钢片、hbn(六方氮化硼)按照图2所示组装而成。
5、实验研究发现，在50ppb＜氮含量≤1ppm的含氮金刚石中构建nv色心通常需要1600-2000℃的退火温度，而在氮含量大于50ppm的含氮金刚石中构建nv色心，富氮环境使得退火温度降低到1400℃。而且，经过1900-2000℃退火处理后的50ppb＜氮含量≤1ppm的含氮金刚石中，nv色心倾向于形成聚集状态，只有少量的单个nv色心。即，对50ppb＜氮含量≤1ppm的含氮金刚石进行高温退火处理，虽然能获得高密度nv色心，但是nv色心容易聚集形成系综、难以制备出单nv色心。
6、氮含量≤50ppb的含氮金刚石，即高纯金刚石。以高纯金刚石为原料制备nv色心，现有技术需要在高纯金刚石中额外引入n原子。但是，本专利技术在进一步实验研究中因外意外发现，利用高温高压退火技术在氮含量≤50ppb的含氮金刚石中构建nv色心不需要额外引入n原子，只需要对氮含量≤50ppb的含氮金刚石进行高温高压退火即可。
7、另外，相对于“在50ppb＜氮含量≤1ppm的含氮金刚石中构建nv色心通常需要1600～2000℃的退火温度，且形成的色心中单色心的比较少”；在氮含量≤50ppb的含氮金刚石中构建nv色心仅需要1600～1900℃的退火温度，而且获得nv色心倾向于呈现单个nv色心分散分布，只有少量形成聚集状态。即，采用n含量≤50ppb的含氮金刚石制备nv色心，无需更高的退火温度，所制备出的单色心分散效果好，不会形成团簇系综，且其表现出的光学相干性质也更为优异。因此，所述含氮金刚石的n含量优选为≤50ppb。更优选地，n含量≤5ppb。
8、相对于在1600～1700℃(不包括1700℃)、1800～1900℃(不包括1800℃)温度下进行高压高温退火，氮含量≤50ppb的含氮金刚石在1700～1800℃温度下进行高压高温退火，可得到分散效果更好且光学相干性质更优异的单nv色心。故，所述高温高压退火的温度优选为1700～1800℃。
9、相对于在低于5gpa、高于6gpa压力下进行高压高温退火，氮含量≤50ppb的含氮金刚石在5～6gpa进行高压高温退火，可以提高金刚石的热力学稳性，改善在最佳退火温度下，金刚石表面的残余氧引起石墨化进而导致浅层单色心被破坏。故，所述高温高压退火的压力优选为5～6gpa。
10、高温高压退火可以促进n与空位在金刚石内部的扩散，退火时间低于1h无法制备出单nv色心或制备出的单nv色心数量极少。退火时间高于10h制备出的nv色心数量过多会导致制备出的nv色心分散效果与光学相干性质变差。故，所述高温高压退火的时间优选为1～10h。根据本专利技术公开的实施例，所述高温高压退火的时间为2～6h。
11、含氮金刚石进行高温高压退火后降温至室温；所述室温为15-30℃。所述降温速率可以为5～10℃/min。根据本专利技术公开的实施例，降温速率优选为6～7℃/min。
12、所述含氮金刚石可以为采用化学气相沉积方法制备而成的cvd金刚石或者为高温高压法所制备的hpht金刚石。cvd金刚石生长过程中更易得到氮含量更低的金刚石，退火后得到的nv色心的分散性以及相干性质更佳，因此相对于hpht金刚石，cvd金刚石更容易构建出分散的、具有更好自旋相干和光学相干性质的nv色心。因此，所述含氮金刚石优选为cvd金刚石，例如n含量≤5ppb的高纯电子级金刚石。
13、所述hpht金刚石可以采用现有技术公开的高温高压法制备而成。根据本专利技术公开的实施例，所述hpht金刚石具体可以采用下述方法制备而成：以石墨作为碳源，以铁镍作为触媒体系，以al/ti粉作为除氮剂，在5.0～6.5gpa、1350～1850℃下保温10～60h，获得所述hpht金刚石。
14、本专利技术的目的之二在于提供一种单nv色心金刚石。
15、所述单nv色心金刚石采用如专利技术目的之一所述的制备方法制备而成。所述单nv色心金刚石，其相干时间达150μs以上；其光学线宽可以低至60mhz。
16、本专利技术目的之三在于提供一种如专利技术目的之二所述的单nv色心金刚石在量子科技、量子计算、量子网络、量子传感材料领域的应用。
17、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
18、本专利技术通过高温高压退火，在不需要较大的氮(n)含量的前提下，实现了高密度单nv色心的制备；解决了现有直接生长方法制备nv色心时存在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金刚石单NV色心的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：含氮金刚石进行高温高压退火；
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮金刚石的N含量≤50ppb。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压退火的时间为1～10h，优选为2～6h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压退火后降温至室温；所述降温速率为5～10℃/min，优选为6～7℃/min。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高纯金刚石为采用化学气相沉积方法制备而成的CVD金刚石或者为高温高压法制备的HPHT金刚石。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述CVD金刚石采用高纯电子级金刚石；或/和，
9.一种单NV色心金刚石，其特征在于，所述单NV色心金刚石采用如权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备而成。
10.一种如权利要求9所述的单NV色心
...【技术特征摘要】
1.一种金刚石单nv色心的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：含氮金刚石进行高温高压退火；
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮金刚石的n含量≤50ppb。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压退火的时间为1～10h，优选为2～6h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压退火后降温至室温；所述降温速率为5～10℃/...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓兵，张晓冉，孙永浩，庄新宇，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：
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