CN110395727B

CN110395727B - 色心金刚石制备方法及色心金刚石

Info

Publication number: CN110395727B
Application number: CN201910695721.1A
Authority: CN
Inventors: 高学栋; 冯志红; 蔚翠; 何泽召; 刘庆彬; 郭建超; 周闯杰
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: CN110395727A

Abstract

本发明适用于色心金刚石制备技术领域，提供了一种色心金刚石制备方法及色心金刚石，该方法包括：沿长方体状的金刚石的最短边的长度方向对长方体状的金刚石的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面；对切削后的金刚石进行处理产生色心；在产生色心的金刚石除凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜；其中，复合膜包括高反射率镀层。激光由凹弧形切削面入射，提高了激光的光程。同时复合膜具有高反射率，可以避免激光和荧光被折射出金刚石，提高了荧光的收集率及激光的激发效率。

Description

色心金刚石制备方法及色心金刚石

技术领域

本发明属于色心金刚石制备技术领域，尤其涉及一种色心金刚石制备方法及色心金刚石。

背景技术

金刚石氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心具有稳定的光学特性，可以发出荧光，同时具有电子自旋特性及理想的固态量子比特等独特的优势，使得金刚石NV色心在量子技术及生物成像等领域得到了广泛的应用。

传统激发金刚石NV色心的方法为采用532nm激光由正面垂直入射进入金刚石内部，该方法会导致激光光程短，一般为μm级，从而影响金刚石NV色心的荧光强度，激光的激发效率低。改进型方法为将激光由侧面进入金刚石内部，激光光程可提升至米级别，但此种方法仍然存在一定比例的激光被折射出金刚石，且激发的荧光不能被有效的收集起来，导致荧光收集效率过低，进而使得基于金刚石NV色心材料的温度传感器、NV色心磁强计等器件的灵敏度受限。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种色心金刚石制备方法及色心金刚石，以解决现有技术中色心金刚石激光激发效率低及荧光收集效率低的问题。

本发明实施例的第一方面提供了色心金刚石制备方法，包括：

沿长方体状的金刚石的最短边的长度方向对长方体状的金刚石的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面；

对切削后的金刚石进行处理产生色心；

在产生色心的金刚石除凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜；其中，复合膜包括高反射率镀层。

本发明实施例的第二方面提供了一种色心金刚石，由本发明实施例第一方面的色心金刚石制备方法制备得到。

本发明实施例沿长方体状的金刚石的最短边的长度方向对长方体状的金刚石的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面；激光从凹弧形切削面入射进入金刚石内部，可提高激光的光程。同时，被激发的荧光可以由凹弧形切削面折射出从而被收集，而不会发生全反射留在金刚石内部，提高了荧光的收集效率。在对切削后的金刚石进行处理产生色心；在产生色心的金刚石除凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜；其中，复合膜包括高反射率镀层，提高了激光及荧光的反射率，可避免激光机荧光被折射出金刚石内部，提高了激光的激发效率及荧光的收集率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种色心金刚石制备方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种长方体状金刚石的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种切削后的金刚石的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种镀膜后的金刚石的示意图；

图5是图3中切削后的金刚石的横截面图；

图6是本发明实施例中激光及荧光在金刚石内部的光路示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的一种色心金刚石制备方法的实现流程示意图，详述如下。具体包括：

步骤S101，沿长方体状的金刚石10的最短边的长度方向对长方体状的金刚石10的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面。

参考图2，用于色心制备的金刚石一般为扁平的长方体状，其中，最短边AA’为长方体的高，长度为a，AB为长方体的长，长度为b，BC为长方体的宽，长度为c。沿最短边的长度方向即A-A’方向对长方体状的金刚石10的任意一个最短边AA’、BB’、CC’或DD’进行切削，切除其中一个棱角，形成凹弧形切削面，形成如图3所示的切削后的金刚石20。切削后的金刚石20的上端面与下端面的面积一致，上下端面对应的边长相同，且切削面具有一定的弧度，形成凹弧形切削面。可以理解的，任何可以形成图3所示的金刚石形状的切削方式均在本领域的保护范围之内。

如图3所示，激光由凹弧形切削面入射激发NV色心产生荧光，荧光在切削后的金刚石20内部经过全反射后由凹弧形切削面射出被荧光信号探测器收集。本发明实施例对长方体状的金刚石10的最短边进行切削形成凹弧形切削面，激光由凹弧形切削面从侧面进入切削后的金刚石20内部，同时，由于入射面为凹弧形，提高了激光的入射率，从而提高了激光的光程。同时，凹弧形切削面使得被激发的荧光在金刚石内部表面全反射后可由该面射出，而不会全反射回金刚石内部，从而提高了荧光的收集效率。

图5为与最短边的长度方向A-A’(B-B’)垂直的切削后的金刚石20的横截面图，一些实施例中，将与最短边的长度方向A-A’(B-B’)垂直的切削后的金刚石20的横截面的各条边按顺时针方向依次记为凹弧11、第一边12、第二边13、第三边14和第四边15；第一边的长度与第三边的长度的比值为70％～95％，第四边的长度与第二边的长度比值为70％～95％。

第一边12的长度为b’，第二边13的长度为c，第三边14的长度为b，第四边15的长度为c’，即b’/b＝70％～95％，c’/c＝70％～95％。

被激发的荧光由凹弧形切削面射出被收集，凹弧形切削面的面积过大或过小均会影响荧光的收集率。

一些实施例中，可采用激光切割机对长方体状金刚石10进行切削。

步骤S102，对切削后的金刚石20进行处理产生色心。

一些实施例中，步骤S102可以包括：

步骤S1021，使用高能电子辐照切削后的金刚石20。

高能电子束注入金刚石中，由于电子束辐照的能量源大于金刚石中C-C键的位移阀能，电子可穿透整个金刚石，与金刚石晶格中的碳原子发生非弹性碰撞，使晶格中的原子产生位移而离开原来的位置，晶体内就产生了自间隙、空位等缺陷，进而产生NV色心。

电子辐照引入的缺陷相对简单，高能电子辐照可产生大量的空位缺陷，且空位分布相对均匀。不同的电子注入剂量可生成不同浓度的NV色心。

一些实施例中，使用2MeV～10MeV的高能电子对切削后的金刚石20进行辐照，辐照时间为1h～10h。

步骤S1022，将辐照后的金刚石进行退火。

金刚石在电子辐照后会产生一些不稳定的缺陷，经过退火后这些不稳定的缺陷消失，NV色心的浓度提高。

一些实施例中，可以将辐照后的金刚石在10^-5mbar及850℃～1000℃条件下退火1h～5h。

步骤S1023，去除退火后的金刚石表面的氧化物，产生色心。

经过电子辐照及高温退火后的金刚石表面会产生一层氧化物，该氧化物层会影响激光的入射及荧光的折射。

一些实施例中，可以将辐照后的金刚石在酸溶液中煮沸；其中酸溶液为1:1的浓硫酸与浓硝酸的混合液，煮沸时间为30min～180min。采用上述方法可以有效的去除金刚石表面的氧化物。

步骤S103，在产生色心的金刚石除凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜；其中，复合膜包括高反射率镀层，从而形成色心金刚石。

参考图4，在产生色心的金刚石除凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜，形成镀膜后的金刚石30。高反射率镀层可以防止激光或荧光被折射出金刚石，除凹弧形切削面外，其余面均发生光的全反射，从而提高了激光的激发效率及荧光的收集效率。

一些实施例中，复合膜还可以防氧化层和/或遮光层。

防氧化层可以保护金刚石表面不会被氧化。遮光层可以防止外界光线进入金刚石内部，从而影响荧光的激发。

一些实施例中，在步骤S101之前，还可以包括：

对长方体状的金刚石10表面进行抛光，提高金刚石表面的反射率。

一些实施例中，抛光后的长方体状的金刚石10的表面粗糙度可以为0.2nm～1nm。

一些实施例中，长方体状的金刚石10的掺氮浓度为50ppm～200ppm。

参考图6，激光由凹弧形切削面从侧面入射进入色心金刚石内部，提高了激光的光程。同时，由于入射面为凹弧形，进一步提高了激光的入射率。激光激发了金刚石色心发出荧光，由于色心金刚石除凹弧形切削面外其余面均涂覆有高反射率复合膜，避免了激光及荧光被折射出金刚石，激光在色心金刚石内表面发生全反射，提高了激光的激发效率。同时，荧光也在色心金刚石内表面发生一系列全反射后由凹弧形切削面射出被收集，提高了荧光的收集率。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本发明实施例还提供了一种色心金刚石，可以由上述色心金刚石制备方法制备得到。由上述方法制备得到的色心金刚石，具有较高的激光激发效率及荧光收集率。

在一个具体的应用场景中，可以通过以下方法制备色心金刚石：

1、对长方体状金刚石10的六个面进行抛光，粗糙度控制在0.5nm；

2、使用激光切割机沿长方体状的金刚石10的最短边的长度方向对长方体状的金刚石10的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面。其中，第一边12的长度与第三边14的长度的比值及第四边15的长度与第二边13的长度的比值均为90％；

3、使用高能电子5MeV对切削后的金刚石20辐照2h；

4、将辐照后的金刚石在10^-5mbar，850℃下退火2h；

5、将退火后的金刚石置于浓硫酸：浓硝酸比例1:1的混合溶液中煮沸30min；

6、除凹弧形切削面外，将去除氧化物后的金刚石的其他各面均镀上复合膜层。复合膜层依次包括高反射率镀层、防氧化层及遮光层；

7、色心金刚石制备完成。

在另一个具体的应用场景中，可以通过以下方法制备色心金刚石：

1、对长方体状金刚石10的六个面进行抛光，粗糙度控制在0.3nm；

3、使用高能电子10MeV对切削后的金刚石20辐照2h；

4、将辐照后的金刚石在10^-5mbar，1000℃下退火2h；

5、将退火后的金刚石置于浓硫酸：浓硝酸比例1:1的混合溶液中煮沸60min；

7、色心金刚石制备完成。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种色心金刚石制备方法，其特征在于，包括：

沿长方体状的金刚石的最短边的长度方向对所述长方体状的金刚石的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面；

对切削后的金刚石进行处理产生色心；

在产生色心的金刚石除所述凹弧形切削面外的其他面上均镀上复合膜；其中，所述复合膜包括高反射率镀层；

所述对切削后的金刚石进行处理产生色心，包括：

使用高能电子辐照所述切削后的金刚石；

将辐照后的金刚石进行退火；

去除退火后的金刚石表面的氧化物，产生色心。

2.如权利要求1所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，所述沿长方体状的金刚石的最短边的长度方向对所述长方体状的金刚石的任意一个最短边进行切削，形成凹弧形切削面之前，还包括：

对所述长方体状的金刚石表面进行抛光。

3.如权利要求2所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，抛光后的所述长方体状的金刚石的表面粗糙度为0.2nm～1nm。

4.如权利要求1所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，将与所述最短边的长度方向垂直的所述切削后的金刚石的横截面的各条边按顺时针方向依次记为凹弧、第一边、第二边、第三边和第四边；

其中，所述第一边的长度与所述第三边的长度的比值为70％～95％，所述第四边的长度与所述第二边的长度的比值为70％～95％。

5.如权利要求1所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，所述复合膜还包括：防氧化层和/或遮光层。

6.如权利要求1所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，所述使用高能电子辐照所述切削后的金刚石，包括：

使用2MeV～10MeV的高能电子对所述切削后的金刚石进行辐照，辐照时间为1h～10h。

7.如权利要求1所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，所述将辐照后的金刚石进行退火，包括：

将所述辐照后的金刚石在10^-5mbar及850℃～1000℃条件下退火1h～5h。

8.如权利要求1至7任一项所述的色心金刚石制备方法，其特征在于，所述长方体状的金刚石的掺氮浓度为50ppm～200ppm。

9.一种色心金刚石，其特征在于，由权利要求1至8任一项所述的色心金刚石制备方法制备得到。