《具有NE8色心規則分布的單晶CVD金剛石的製備研究》是依託中國科學院大學，由陳廣超擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：具有NE8色心規則分布的單晶CVD金剛石的製備研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳廣超
- 依託單位：中國科學院大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著對量子信息科學的深入理解，人們對能夠保持和承載量子信息處理的固態材料平台- - 具有室溫穩定色心的金剛石的研究越來越熱烈，需求也更加迫切。金剛石中的NE8色心由於其近紅外、窄線寬、邊帶峰少且強度低的光發射特點，成為量子密鑰分配套用中優異的候選單光子源。但是，NE8色心的製備問題嚴重阻礙著光量子比特的操控以及光纖光量子器件的實現進程。本項目提出採用電漿增強化學氣相沉積技術，製備具有NE8色心的單晶CVD金剛石，並藉助微納加工技術，實現色心在單晶中的規則分布生長的研究計畫,以應對NE8色心難以製備的問題以及由此而伴生的色心隨機分布、光子三態發射的缺陷。通過本項目的實施希望揭示在大體積原子摻雜和多原子組態摻雜條件下的單晶CVD金剛石的生長動力學規律，發現量子級金剛石在製備和加工中的新現象，鞏固我國在NE8色心研究中的國際領先地位,為金剛石量子信息處理平台的建立奠定關鍵的、原創性的工作基礎。
結題摘要
按著《任務書》和《申請書》的內容要求，開展了以製備NE8色心規則排列的單晶金剛石為目標的研究。 根據流體力學、電磁學、電漿物理學、電漿化學等理論，藉助comsol計算軟體，分析了射頻激發電漿增強化學氣相沉積金剛石的環境特徵，探索了電漿發生區域和沉積區域的溫度場、速度場、質量場，數值模擬分析的結果表明：傳統的單頻率模式激發電漿具有空心化、熱效率低、不適於高氣壓沉積的弱點。同時，採用光發射譜實驗技術，診斷了電漿的組分和空間分布，質量場的實驗結果與數值模擬結果具有相符合的特點。 基於數值模擬和光發射譜實驗結果，設計了雙射頻電漿激發系統，使電漿中的電子溫度達到2.6eV，密度達到6.5*10^21m^(-3)。利用該系統，通過調整製備參數，在0.8~10%的CH4和H2比的條件下，分別製備了納米、微米和單晶金剛石，其中單晶的尺寸達到5*5mm^2。開展了含Ni-N組態摻雜的射頻電漿沉積實驗，首先篩選了含Ni、N的有機前驅體（二茂鎳），研究了該有機前驅體在射頻電漿環境下的沉積行為，發現了發光波長在320-360nm的Ni原子；其次，將二茂鎳通過載氣輸運的辦法引入到金剛石沉積環境中，獲得了含有Ni-N組態的多晶金剛石，XPS結果顯示Ni-N價健健能為855eV；最後，利用微納光刻技術，實現了具有規則排列的Ni-N組態摻雜的金剛石單晶顆粒（即，每一個顆粒為單晶），單晶顆粒之間的間距為100微米。 為了能夠評價微納加工製備的金屬掩膜的質量，提出了採用超聲檢測方法評價金屬膜與金剛石基底的膜基結合強度，該方法可以檢測粗糙度Ra＜10^2nm以下的膜基結合強度，具有對膜基界面靈敏、操作簡便、工序兼容性好的優點。 總之，在基金的資助下，發明了“雙射頻電漿噴射製備金剛石的方法”和“射頻電漿進行鎳氮摻雜金剛石的製備方法”，提出了適於金剛石器件製備技術的“膜基結合強度超聲檢測法”。 發表9篇學術論文，其中SCI4篇，EI5篇，申請2項專利，其中授權1項。培養了7名研究生，其中1人博士畢業，2人碩士畢業，培養了1名博士後（已經出站）。
