CN109477238B

CN109477238B - 为了磁力测定应用而优化的含氮单晶金刚石材料

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Publication number: CN109477238B
Application number: CN201680080219.4A
Authority: CN
Inventors: W·卢; G·S·布鲁斯; A·M·埃德蒙斯; M·L·马卡姆; A·D·斯泰西; H·K·迪隆
Original assignee: Element Six Technologies Ltd; Element Six Technologies US Corp
Current assignee: Element Six Technologies Ltd; Element Six Technologies US Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: JP6689985B2; US11396715B2; US20210054526A1; WO2017112399A1; JP2019506356A; GB201522650D0; EP3394322A1; CN109477238A

Abstract

一种单晶金刚石材料，其包含：中性氮‑空位缺陷(NV⁰)；带负电荷的氮‑空位缺陷(NV^‑)；和单一取代的氮缺陷(N_s)，所述氮缺陷将它们的电荷转移到中性氮‑空位缺陷(NV⁰)，以将它们转化为带负电荷的氮‑空位缺陷(NV^‑)，其特征在于所述单晶金刚石材料具有的磁力测定品质因数(FOM)为至少2，其中所述磁力测定品质因数由(I)定义，其中R是带负电荷的氮‑空位缺陷与中性氮‑空位缺陷的浓度比率([NV^‑]/[NV⁰])，[NV^‑]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的带负电荷的氮‑空位缺陷的浓度，[NV⁰]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)原子测量的中性氮‑空位缺陷的浓度，且T₂'是NV^‑缺陷的退相干时间，其中T₂'是对于DC磁力测定而言的T₂ ^*或对于AC磁力测定而言的T₂。

Description

为了磁力测定应用而优化的含氮单晶金刚石材料

技术领域

本发明的实施方案涉及为了磁力测定应用而优化的含氮单晶金刚石材料。还设想，尽管本文所述的单晶金刚石材料为了磁力测定应用进行了优化，但该材料也适合于在金刚石晶格内利用带负电荷的氮-空位缺陷的其他应用。

背景技术

已经提出合成金刚石材料中的点缺陷，特别是量子自旋缺陷和/或光学活性缺陷，用于各种成像、传感和处理应用，例如包括：发光标签；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；量子信息处理装置，例如用于量子通信和计算；磁通信装置；和陀螺仪。

已经发现，当处于其负电荷状态时，某些缺陷对于传感和量子处理应用特别有用。例如，合成金刚石材料中的带负电荷的氮-空位缺陷(NV^-)作为有用的量子自旋缺陷引起了很多关注，因为它具有几个期望的特征，包括：

(i)其电子自旋状态可以以高保真度被相干地操纵并且具有极长的相干时间(其可以使用横向弛豫时间T₂和/或T₂ ^*来量化和比较)；

(ii)其电子结构允许将缺陷光学激励(pump)到其电子基态，从而允许即使在非低温温度下也能将这些缺陷置于特定的电子自旋状态。对于其中需要小型化的某些应用，这可以抵消对昂贵且庞大的低温冷却装置的要求。此外，缺陷可以作为都具有相同的自旋状态的光子的来源；和

(iii)其电子结构包括发射和非发射电子自旋状态，这允许通过光子读出缺陷的电子自旋状态。这便于从用于传感应用例如磁力测定、自旋共振光谱和成像中的合成金刚石材料读出信息。此外，它是将NV^-缺陷用作长距离量子通信和可扩展量子计算的量子比特的关键因素。这样的结果使得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取代氮原子组成。其两个未成对电子在电子基态中形成自旋三重态(³A)，简并m_s＝±1次能级与m_s＝0能级分开2.87GHz。NV^-缺陷的电子结构使得m_s＝0次能级在被光学激励时表现出高荧光率。相比之下，当缺陷在m_s＝±1能级被激发时，它表现出交叉到非辐射单重态(¹A)、随后弛豫到m_s＝0的更高概率。结果，可以光学地读出自旋状态，m_s＝0状态为“亮”，且m_s＝±1状态为暗。当施加外部磁场或应变场时，通过塞曼分裂破坏了自旋次能级m_s＝±1的简并性。这使得共振谱线依赖所施加的磁/应变场大小及其方向而分裂。通过使用微波(MW)探测共振自旋跃迁并使用光学检测的磁共振(ODMR)光谱来测量所施加的磁场的大小和任选地测量其方向，可以将该依赖性用于磁力测定。

合成金刚石材料中的NV^-缺陷可以以多种不同方式形成，包括：

(i)在合成金刚石材料生长期间形成，其中氮原子和空位在生长期间作为氮-空位对被纳入晶体晶格中；

(ii)在金刚石材料合成后由在生长工艺期间纳入的天然(native)氮和空位缺陷通过如下过程形成：在引起空位缺陷通过晶体晶格迁移以与天然的单一取代的氮缺陷配对的温度(约800℃)下对材料进行生长后退火；

(iii)在金刚石材料合成后由在生长工艺期间纳入的天然氮缺陷通过如下过程形成：辐照合成金刚石材料以引入空位缺陷，然后在引起空位缺陷通过晶体晶格迁移以与天然的单一取代的氮缺陷配对的温度下对材料进行退火；

(iv)在金刚石材料合成后通过如下过程形成：在金刚石材料合成后将氮缺陷注入合成金刚石材料中，然后在引起天然空位缺陷通过晶体晶格迁移以与注入的单一取代的氮缺陷配对的温度下对材料进行退火；

(v)在金刚石材料合成之后通过如下过程形成：照射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注入合成金刚石材料中，并在引起空位缺陷通过晶体晶格迁移以与注入的单一取代的氮缺陷配对的温度下对材料进行退火。

在现有技术中已经公开了各种不同类型的金刚石材料用于各种不同类型的磁力测定应用，包括：

Acosta等，Phys.Rev.B 80,115202，讨论了用于磁力测定应用的高压高温(HPHT)金刚石材料的性能；

WO2010/010352和WO2010/010344，公开了用于诸如磁力测定的应用的低氮含量单晶化学气相沉积(CVD)金刚石材料；和

WO2010/149775，公开了用于诸如磁力测定的应用的经辐照和退火的单晶CVD金刚石材料。

虽然已经提出了各种类型的金刚石材料用于磁力测定应用，但是本发明的实施方案的目的是优化基于金刚石的磁力计的材料相关方面，并提供合适的制造方法以实现这种优化的金刚石材料特性。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种单晶金刚石材料，其包含：

中性氮-空位缺陷(NV⁰)；

带负电荷的氮-空位缺陷(NV^-)；和

单一取代的氮缺陷(N_s)，所述氮缺陷将它们的电荷转移到中性氮-空位缺陷(NV⁰)，以将它们转化为带负电荷的氮-空位缺陷(NV^-)，

其特征在于所述单晶金刚石材料具有的磁力测定品质因数(FOM)为至少2，其中所述磁力测定品质因数由

定义，

其中R是带负电荷的氮-空位缺陷与中性氮-空位缺陷的浓度比率([NV^-]/[NV⁰])，[NV^-]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的带负电荷的氮-空位缺陷的浓度，[NV⁰]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的中性氮-空位缺陷的浓度，并且T₂'是以微秒(μs)计的NV^-缺陷的退相干时间，其中T₂'是对于DC磁力测定而言的T₂ ^*或对于AC磁力测定而言的T₂。

根据本发明的第二方面，提供了一种磁力计，其包含本发明第一方面的单晶金刚石材料。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出可如何实现本发明，现在将通过仅参考附图示例的方式来描述本发明的实施方案，其中：

图1是一系列单晶金刚石材料的退相干时间T₂随总[NV]变化的图表。

图2是一系列单晶金刚石材料的退相干时间T₂ ^*随总[NV]变化的图表。

图3是单晶金刚石样品的UV-可见光谱，其说明了[NV^-]/[NV⁰]的高比率。

具体实施方式

基于NV的磁传感器的散粒噪声限制通常采用以下形式编写：

其中δB_min是磁场(B)中的最小可检测到的变化(在测量时间t_m内)，g_e是朗德g因子，μ_B是玻尔磁子，α是对比度，η是光子收集效率，n_NV是被激发的NV中心的数目，T₂'是合适的自旋-自旋相干时间。在基于DC的磁力测定的情况下，T₂'应设置为非均匀自旋-自旋弛豫时间T₂ ^*，而在基于AC的方案的情况下，T₂是相关的去相位时间。这些所谓的弛豫、去相位或退相干时间参数(T₂ ^*和T₂)是本领域技术人员已知的。

基于金刚石的磁力计的磁场灵敏度也可以用以下形式表示：

因此经常使用

单位(通常以纳特拉(nT)或皮特拉(pT)计)。

该表达式突出了影响基于NV^-的装置的可实现灵敏度的关键参数。该装置包含合成的含NV金刚石以及(所选功率、波长、聚焦点尺寸等的)激发激光/LED，微波激发机构和发光收集光学器件。

本发明涉及优化基于金刚石的磁力计的材料相关方面，因此有助于鉴定影响等式2中的项的材料性能。假设能够激发恒定分数的NV中心(并且检测到它们的光学发射)，n_NV与带负电荷的NV缺陷[NV^-]的浓度成比例。

由于两个原因，样品中的中性NV中心([NV⁰])的存在对装置灵敏度有害。首先，它是顺磁性的，因此可限制T₂ ^*/T₂的值。其次，NV⁰的发射光谱部分地与NV^-缺陷的声子边带重叠。这导致背景发光，该背景发光降低了对比度(α)。因此，[NV^-]/[NV⁰]的比率(以下称为R)是α中基于材料的项。结合这些项并使用等式2得出基于金刚石的磁力测定应用的材料品质因数(FOM)：

优化针对该FOM的含NV金刚石的生产提出了挑战，因为R，T₂'和[NV^-]是相互关联的。通过使用含有高[N]的金刚石材料(HPHT或CVD)，然后用高辐照剂量(通常通过电子辐照)处理并退火，可以实现最大化[NV^-]。然而，随着起始[N]到最终[NV]的转化分数增加，R的值减小。这是因为残留[N]作为NV缺陷的电子供体，因此导致NV⁰→NV^-电荷状态转化。如果大分数N转化为NV，则N不足以充当电荷供体来将NV⁰转化为NV^-。相反，如果保留高浓度的残余氮[N]，那么残余的氮会引起NV^-的去相位，从而导致T₂ ^*的减少。

开发出其中存在高度独立性的R、T₂'和[NV^-]的金刚石生产方法将解决基于金刚石的磁力测定中的关键问题，因为这将允许优化上述品质因数(FOM)。增加对各个参数的控制还允许更大程度的材料设计。例如，线性光学激发方案可能受益于较高的[NV^-]，而侧光注入和检测方法可能更适合于较低的[NV^-]，这是由于光路径长度大大增加所致的激发光吸收的问题。

由本发明人开发的CVD金刚石生长配方和处理方案在材料设计中提供了这种所需的灵活性，并且允许在如下所述的一系列氮浓度下实现高FOM。

开发了两种高[N]CVD金刚石配方(固体中约8和25ppm[N])，其利用低¹²CH₄分数。所得的单晶金刚石材料，当与优化的电子辐照剂量和退火方案(例如步进退火方案，包括在400℃→800℃→1000℃→1200℃的步骤)组合时以减少额外寄生(就T₂ ^*/T₂而言)缺陷的存在，导致可实现的[NV^-]范围，其中T₂ ^*和T₂恒定的。较高(25ppm[N])配方允许对于给定[NV^-]而言更高的R而不会对T₂ ^*产生不利影响。还开发了3ppm[N]配方。尽管使用了显著不同的氮浓度，但已发现可以获得如先前对于一系列氮浓度所定义的高品质因数。

下表显示了使用几种8ppm和25ppm[N]_固体金刚石制造工艺生产的样品的结果，与较低[N]配方(约1ppm[N]_固体)相比。在表中，“bdl”是指低于测量技术检测极限的值，括号中的值是指末位有效数字中的不确定性，ε是起始[N]到[NV]_总量的转化％，且R是[NV^-]与[NV⁰]的比率。FOM_DC使用先前定义的等式3计算。根据本发明的实施例具有至少2、更优选至少3的FOM_DC值。其他样品代表对比实施例。

可以看出，通过将优化的金刚石生长工艺与优化的辐照和退火技术相结合，对于具有不同氮浓度的一系列单晶金刚石材料而言可实现高FOM(表中的最高FOM达到7.7)。

鉴于上述，本发明的一个方面提供了一种单晶金刚石材料，其包含：

中性氮-空位缺陷(NV⁰)；

带负电荷的氮-空位缺陷(NV^-)；和

其特征在于所述单晶金刚石材料具有的磁力测定品质因数(FOM)为至少2、更优选为至少3，其中所述磁力测定品质因数由

定义，

其中R是带负电荷的氮-空位缺陷与中性氮-空位缺陷的浓度比率([NV^-]/[NV⁰])，[NV^-]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的带负电荷的氮-空位缺陷的浓度，[NV⁰]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的中性氮-空位缺陷的浓度，并且T₂'是以微秒(μs)计的NV^-缺陷的退相干时间，其中T₂'是对于DC磁力测定而言的T₂ ^*或对于AC磁力测定而言的T₂。由于浓度以ppm计并且退相干时间以μs计，因此FOM的单位为ppm^1/2ms^1/2。

虽然希望实现高FOM，但通过使用本文所述的方法可实现的FOM的合理上限是10、15或20。这与具有远低于1的FOM的现有技术低氮单晶金刚石样品形成对比。此外，这也与其他未经优化生长和处理以实现高FOM值的较高氮的单晶金刚石样品形成对比。

实现高FOM的金刚石制造工艺的共同特征包括CVD合成气氛中低分数的含碳气体和CVD合成气氛中相对高分数的氮(至少与使用低氮含量的现有技术工艺相比)，即相对高的氮对碳CVD气体合成化学组成。该方法的一个关键特征是将相对大浓度的氮纳入固体金刚石晶格中，同时保留良好的金刚石晶体品质(就所需的含氮缺陷以外的扩展缺陷和点缺陷)，然后对材料进行优化处理以获得在N_s、NV⁰和NV^-方面所需的含氮缺陷组合。

为了实现如前所述的高FOM值，有利的是单晶金刚石材料包含以下特征中的一个或多个：

比率R([NV^-]/[NV⁰])为至少3、4、5、6或7，任选不超过20、15或10；

浓度[NV^-]为至少1.3ppm、1.5ppm或1.7ppm，任选不超过10ppm、5ppm、3ppm或2ppm；

T₂ ^*为至少0.4μs、0.5μs、0.6μs或0.7μs，任选不超过5μs、3μs或1μs；和

总氮浓度为至少3ppm、5ppm、8ppm、12ppm、18ppm或25ppm，任选地不超过300ppm、100ppm或50ppm。

上述金刚石材料特性有利地以相对大的单晶金刚石提供(例如，单晶金刚石材料可具有至少0.5mm的三个正交尺寸，并且任选地是厚度为至少0.5mm并且横向尺寸为至少5mm的板的形式)。当将这样的晶体纳入磁力计中时，利用光源来激发单晶金刚石中的NV^-缺陷，并且如背景技术部分所述，检测和分析荧光以确定外部磁场。除了金刚石的材料性能之外，晶体的尺寸将影响所使用的NV^-缺陷的数目，并且因此将影响磁力计的灵敏度。因此，合成工艺(例如CVD合成工艺)有利地能够实现本文为了相对大的晶体而指定的材料参数。作为替代或另外，为了提供大的金刚石晶体，可以通过使激发束反射来回穿过晶体来增加金刚石内激发的路径长度。

另一种可能性是提供多个金刚石样品以增加金刚石的体积，该金刚石的体积由磁力计中的激发束询问。在这方面，应该理解的是，增加金刚石样品的体积将最终需要合成厚度的增加。这在复杂性、产量和成本方面提出了挑战。当使用为了磁力计灵敏度而优化的合成参数而不是经调节以促进高晶体品质的金刚石生长至大厚度时尤其如此。

增加的金刚石样品厚度的一种解决方案是使用融合在一起的多个金刚石样品。以这种方式，可使用单一激光在磁力计中的组合样品的整个深度中激发NV^-中心。采用这种方法的一个问题是如果金刚石样品具有任何晶格错位(misalignment)，那么NV^-缺陷将在金刚石样品之间错位，这可不利地影响磁力计的对比度和灵敏度，其依赖于NV^-缺陷相对于外部磁场的取向。然而，已经发现，以这种方式组合两个或更多个金刚石样品具有增加灵敏度的潜力，而如下所述不会在两个金刚石样品的角度对准方面设置不合理的精度。特别地，已经发现，对于磁力测定应用而言，可以容忍两个堆叠的金刚石之间的小的错位。例如，错位可以不超过5°、4°、3°、2°或1°，这可以通过实验实现。

可以注意到，对于特定应用而言，单晶金刚石的尺寸和材料的氮含量可以为了磁力测定应用而被调节。就本发明的实施方案而言，较低氮浓度的实施方案可以有利地以相对大的晶体尺寸提供，而较高氮含量的实施方案可以以较小的晶体尺寸提供。这些替代方案可以导致在使用中处理相同数目的氮-空位缺陷(具有较低氮-空位缺陷浓度但较长的光路的较大晶体导致光学上处理相同数目的缺陷，相对于具有较高的缺陷浓度但较短的光路的较小晶体)。

还应注意，本发明的含氮单晶金刚石材料族可以以独立形式提供或作为较大单晶金刚石的一部分提供。例如，可以制造单晶金刚石，其包含根据本发明的材料的层或区域。晶体的其余部分可具有不同的组成，例如高纯度的金刚石晶格。当使用本发明材料的高氮含量实施方案时，这种配置是有用的。这是因为虽然这种材料可以产生强荧光信号，但是一部分信号在高氮含量材料内被吸收，导致灵敏度损失。通过在较低氮含量的金刚石材料中提供这种材料的区域或层，可以减少金刚石部件内的荧光信号的吸收。使用与根据本发明的材料组合的高纯度层或区域实际上可以提供许多益处。例如，(在一个或多个方向上)围绕根据本发明的材料的高纯度区域可以被设计成在氮-空位缺陷的发射波长处具有低光学吸收，并且这可以提供氮-空位发光收集的效率方面的益处。此外，氮-空位缺陷共振谱线还对温度敏感。因此，周围的金刚石块在热提取、温度控制以及因此磁场测量的灵敏度/精度方面提供了潜在的益处。

根据本发明实施方案的单晶金刚石材料还可以包含¹⁵N浓度，其高于单晶金刚石材料中的总氮浓度的0.4％(天然同位素丰度)，和/或包含¹⁵NV浓度，其高于总NV浓度(¹⁴NV+¹⁵NV)的0.4％。在这方面，取决于包含NV缺陷的氮同位素，每个氮-空位共振被分成两个或三个频率分离的谱线。¹⁴N具有核自旋l＝1，因此具有三条谱线，而¹⁵N具有l＝1/2并且因此具有两条谱线。在合成工艺期间使用的氮掺杂剂的同位素丰度(以及存在的任何其他含氮源)决定了材料中存在的氮同位素的平衡。天然丰度同位素掺杂剂的使用导致99.6％¹⁴NV，0.4％¹⁵NV。在合成工艺期间使用富含同位素的掺杂剂增加¹⁵N的分数允许增加分数的NV缺陷具有分成两个而不是三个的共振谱线。这本身表现为对比度的增加(光学读出中的“亮”到“暗”)，因为对于给定浓度的[NV]而言为固定的强度分布在较少频率分离的谱线当中。因此，根据本发明的材料可以用富含¹⁵N的气体生长，以在某些读出方案下提供灵敏度的增加。

实施例

根据某些实施例，可以使用以下金刚石生长条件：

微波功率＝5kW

压力＝230乇

氢流量＝每分钟580标准立方厘米(sccm)

甲烷流量＝12sccm

氮掺杂剂＝30sccm，在H₂中1000ppm N₂

诸如氮水平的参数可以根据最终产品中所需的氮浓度而变化。任选地，还可将氧添加到生长工艺。在生长之后，使用如前所述的优化的辐照和退火工艺处理单晶金刚石材料。虽然先前已经在本领域中公开了含氮金刚石材料的生长以及随后的辐照和退火，但是这里的不同之处在于，根据本文为了磁力测定应用定义的品质因数来优化生长、辐照和退火步骤。然后可以如下表征产品材料。

光学吸收光谱提供了量化NV的两种电荷状态的浓度的途径。由于仪器探测的波长范围(从UV到可见光和有时近红外)，这些通常被称为“UV-VIS-NIR”光谱仪。

对于不是材料固有的吸收，即通过缺陷(无论是结构还是点杂质)引入的吸收，跨缺陷零声子线(ZPL)的积分吸收系数可与导致该ZPL的缺陷密度有关。在金刚石中的NV的情况下，对于NV^-和NV⁰而言这些ZPL分别在637nm(1.945eV)和575nm(2.156eV)处出现。因此，UV-VIS-NIR光谱(以下称为UV-Vis)可以用作定量技术，只要将ZPL下的积分吸收与缺陷密度相关联的相关校准常数是已知的。对这些常数的了解来自先前关于金刚石中缺陷光谱学的基本原理的学术研究，参见例如G Davies，“Current problems in diamond:towards aquantitative undertanding”，Physica B 273-274(1999)15-23。

在G Davies的论文中，NV ZPL下的积分吸收(

)写成：

其中

以meVcm^-1为单位，[NV]是以cm^-3计的缺陷密度。然后可以使用金刚石中碳晶格原子间距的知识来计算以百万分率(ppm)的碳原子计的NV浓度(两种电荷状态)；1.76×10¹⁷cm^-3的缺陷密度具有1ppm的浓度。

UV-Vis吸收测量期间样品的温度强烈影响吸收光谱的形式。由于在金刚石中缺陷通过声子与晶格的相互作用，金刚石中的每个特征吸收峰(ZPL)具有相关的振动边带。此外，ZPL谱线宽度随着温度的升高而增加，然后可与缺陷的振动边带(或其他附近特征)重叠。由于降低温度会降低ZPL的谱线宽度，因此降低的温度测量也会增加吸收峰相对于背景噪声的可见度。因此，通过将样品置于在液氮温度下即在77K或略高于77K操作的低温恒温器中，确定缺陷浓度(及其相关的校准因子)。

在样品的退火(>500℃)之后，由于热诱导的电荷转移，[NV^-]的[NV⁰]比率可能会增加(参见R Khan等人，“Charge transfer effects,thermo-and photochromism in singlecrystal CVD synthetic diamond”),Journal of Physics：Condensed Matter，21(2009)364214)，条件是样品随后不暴露于UV(<300nm)波长范围。对于测量NV^-和NV⁰样品浓度的标准化方法，样品的每个面因此都通过254nm灯(4W)暴露于UV，持续每个面10分钟的时间段。这在表征之前使R最小化，并且如果使样品处于环境温度(<100℃)和室内/自然光照条件下，则该度量稳定。然后通过77K UV-Vis测量[NV^-]、[NV⁰]并且因此通过数值积分或Voigt-线形拟合NV⁰和NV^-ZPL下的面积并在合适的基线(背景)减去之后使用先前等式来计算R。

通过Ramsey脉冲序列确定T₂ ^*的值。NV发光中最简单的共振衰减(自由感应衰减或“FID”)将是单指数的，具有所需的特征衰减时间T₂ ^*。然而，为了提高来自背景噪声的衰减的可见性，典型的是使微波频率失谐略微离开共振NV频率(如在ODMR频率扫描中观察到的谱线位置)。这引入了额外的振荡，这些振荡更容易与散粒噪声背景区分开。然而，对于NV，由于¹⁴N超精细相互作用(¹⁴N有核自旋1)，取决于所选择的RF功率水平，可观察到对于单一NV-缺陷(或一组通常对准的NV-缺陷)的多个共振谱线。

因此，实验观察到的FID通常拟合于由以下表达式给出的衰减：

其中τ是自由游行时间间隔，ε是允许拟合品质得到改进的因子(ε＝1.0是理想的)，β_m是每个超精细贡献的加权(β_1,2,3＝1/3是理想的),且δ是离开中心NV谱线位置的失谐。

通过将确定的FID曲线最小二乘拟合到上述等式中的表达式，可以确定T₂ ^*的优化值。这被视为NV^-T₂ ^*值，其具有由拟合品质限定的不确定性。

使用可比较的实验装置，通过Hahn-Echo实验确定了T₂，该实验是本领域技术人员公知的。

T₂ ^*和T₂随着[NV]变化的曲线图显示在图1和2中。图1显示了上表中数据的整理，显示对于三种不同CVD配方(1ppm、8.5ppm和25ppm)而言T₂(Hahn Echo)随总[NV]的变化。还说明了对于3ppm配方而言的预期位置。图2也显示了来自上表的数据整理，显示对于三种不同CVD配方而言T₂ ^*随总[NV]的变化。同样，还说明了对于3ppm配方而言的预期位置。

图1和图2说明了T₂和T₂ ^*跨[NV]>1.2ppm的范围是如何相对恒定的。这可以解释为去相位时间主要由残余[N]支配(参见Acosta等人，Phys.Rev.B 80,115202的论文)。然而，这里提供的数据还表明，较高氮含量的CVD配方(通常将具有较高的残余[N])在辐照和退火后产生具有可比较的T₂和T₂ ^*的材料。此外，在这种材料中，[NV^-]/[NV⁰]的比率(即R)增加，因此该材料具有用于磁力测定应用的有益性能。可能令人惊讶的是，尽管事实上材料中的NV浓度和残余氮都在增加，但是跨[NV]>1.2ppm的范围T₂和T₂ ^*是相对恒定的。然而，还应该注意到，这些结果是通过使用能够保持良好的金刚石晶体品质直至高氮浓度的生长工艺(就所需的含氮缺陷以外的扩展缺陷和点缺陷而言)来实现的，这与优化的辐照和退火处理相结合。因此，发现使用该方法可以在很大程度上将T₂和T₂ ^*与材料的氮含量断开联系，至少在[NV]>1.2ppm时。这对于许多磁力测定应用来说是重要的，具有高氮含量和高NV^-退相干时间(通过增加每个单独NV^-的灵敏度以及通过增加NV^-的数目来增加磁场灵敏度)两者将是有利的。相反，迄今为止，通常假设NV^-退相干时间将随着氮(和NV^-)含量的增加而稳定地降低。

图3显示了在77K下记录的包含8.5ppm[N]且30％转化为NV的金刚石样品的UV-Vis光谱，其说明[NV^-]/[NV⁰]的高比率。因此，与图1和图2一起，可见的是，可提供具有高的[NV^-]/[NV⁰]比率、高的总[NV^-]的组合并且还保持高T₂'(其中T₂'是对于DC磁力测定而言的T₂ ^*或对于AC磁力测定而言的T₂)的金刚石材料。

如本文所述的优化的含氮单晶金刚石材料族能够提供较高灵敏度的磁力测定和更加可控的磁力测定材料基性能。还应当理解，虽然本文所述的材料为了磁力测定应用进行了优化，但是该材料也适用于在金刚石晶格内利用带负电荷的氮-空位缺陷的其他应用。此外，虽然已经参考实施方案具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在形式和细节上进行各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims

1.单晶金刚石材料，其包含：

中性氮-空位缺陷(NV⁰)；

带负电荷的氮-空位缺陷(NV^-)；和

定义，

其中R是带负电荷的氮-空位缺陷与中性氮-空位缺陷的浓度比率([NV^-]/[NV⁰])，[NV^-]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的带负电荷的氮-空位缺陷的浓度，[NV⁰]是以所述单晶金刚石材料的百万分率(ppm)的原子测量的中性氮-空位缺陷的浓度，并且T₂'是以微秒计的NV^-缺陷的退相干时间，其中T₂'是对于DC磁力测定而言的T₂ ^*或对于AC磁力测定而言的T₂，并且

其中[NV^-]为至少1.3ppm。

2.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中FOM为至少3。

3.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中R为至少4。

4.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中T₂ ^*为至少0.4μs。

5.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中所述单晶金刚石材料具有至少3ppm的总氮浓度。

6.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中所述单晶金刚石材料是单晶CVD金刚石。

7.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中所述单晶金刚石材料具有至少0.5mm的三个正交尺寸。

8.根据权利要求1所述的单晶金刚石材料，其中所述单晶金刚石材料具有的¹⁵N浓度高于所述单晶金刚石材料中的总氮浓度的0.4％和/或具有的¹⁵NV浓度高于由¹⁴NV+¹⁵NV给出的总NV浓度的0.4％。