德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所JuliaLanger团队PSS：控制CVD生长金刚石中原位氮空位的掺杂效率

金刚石内的氮空位（NV）可用于室温固态微波激射器、超极化装置、以及高灵敏度磁力计等应用。为了实现这些应用，金刚石材料需要满足许多要求，其中高NV密度尤为重要。在过去的几十年里，金刚石的氮掺杂得到了深入的研究。最初仅在前驱体中添加少量氮，以提高化学气相沉积(CVD)过程中金刚石的生长速率。而当将较高的氮浓度添加到前体气体中时，生长金刚石中的总氮浓度会显著增加。为了有效利用NV中心，还需要优化它们周围其他与氮相关的缺陷、晶体质量和应变诱导的双折射。因此，了解氮掺杂金刚石的生长过程以及生长条件如何影响缺陷掺入以及掺杂浓度和效率是非常重要的。近年来，研究者已报道了氮气流量、氢气流量、甲烷流量、衬底温度等因素对原位生成的NV的影响。然而，NV中心的量化研究，尤其是在较低浓度范围内的量化仍具有挑战性，因为与其他氮相关的缺陷相比，这个问题缺乏关于NV中心原位结合效率的数据。

为了更深入地研究NV中心地原位生成及其对电场强度地依赖性，来自德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的Julia Langer团队在PSS上发表了研究文章，通过CVD生长期间的光谱数据观察了电场强度变化对等离子体条件的影响，并分析了合成金刚石的氮掺杂水平、结构质量和内应力分布等。

在本工作中，研究团队重新设计了反应器装置，其中的可拆卸组件可以实现对谐振器腔内电场强度的调整。在此基础上，团队使用中型基板支架进行了相应的CVD生长实验，对模拟结果进行验证并获得光谱数据。作者使用COMSOL软件对不同类型的基板支架进行了电场强度分布模拟，发现随着基板支架直径的增加，电场强度最大值下降，这种影响也表明微波功率密度的降低。其次，作者研究了不同电场强度下等离子体特性的变化，光学发射光谱数据显示了气体温度、自由基物种和跃迁相关的信息。最后，团队对合成的金刚石进行了粗糙度、XRD、XRT、内应力分布等分析，全面评估了不同条件对金刚石生长的影响。

在文末，作者总结道：基于实验与表征的结果，随着电场强度的降低，可制备具有高结构质量、均匀应力分布和低双折射的金刚石；在其他输入变量恒定的情况下，随着电场强度的降低，NV 中心的原位生成显著提高了一个数量级；对氮掺杂过程的这种修改导致NV到N0s的原位掺杂效率高达3%，这是实现量子技术应用的重要优化步骤，同时也减少了对合成钻石进行进一步处理的必要性，包括辐照和退火工序等。

WILEY

论文信息：

Manipulation of the In Situ Nitrogen-Vacancy Doping Efficiency in CVD-Grown Diamond

Julia Langer, Volker Cimalla, Vadim Lebedev, Lutz Kirste, Mario Prescher, Tingpeng Luo, Jan Jeske, Oliver Ambacher

physica status solidi

DOI：10.1002/pssa.202100756

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Letters

期刊简介

physica status solidi - Rapid Research Letters (简称 PSS -RRL) 旨在提供极快的出版速度，是目前固体物理和材料物理学领域最快的同行评审出版期刊之一。从投稿到第一轮编辑做决定之间的平均时间是11天，从接受到在线发表的平均时间是12天。该期刊涵盖了诸如先进材料的制备、结构和模拟，固体材料、纳米材料和其它低维材料原子和电子结构、光学、磁性、超导、铁电性质的研究以及器件应用等主题。

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