CN113753889B - 一种只含nv-光学色心的金刚石及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种只含NV‑光学色心的金刚石及其合成方法，本发明的金刚石合成方法包括如下步骤：以石墨和触媒为原料进行合成，所述原料中添加所述触媒质量的0.3‑1wt％的羰基镍粉，合成压力为5‑7GPa，合成温度为1280‑1500℃。本发明的金刚石的合成方法通过检测只含有NV‑光学色心，使其拥有独特的量子性质，如光学自旋读出和长室温基态电子相干性。

Description

一种只含NV-光学色心的金刚石及其合成方法
技术领域
本发明涉及金刚石制备领域，具体而言，涉及一种只含NV-光学色心的金刚石及其合成方法。
背景技术
金刚石俗称“钻石”，是当今世界物质中集最大硬度、最大热导率、最小压缩率、最宽透光波段、最快声速、抗强酸强碱腐蚀、抗辐射、击穿电压高、载流子迁移率大等多种优异性能于一体的极限性功能材料，它广泛应用于工业、军事、科技、医疗、珠宝等诸多领域。鉴于金刚石潜在的科研与商业价值，国外对金刚石合成技术是绝密的。因此，拥有独立知识产权的先进高性能金刚石合成技术，对一个国家未来的整个工业化发展、科技水平的全面提高、国防力量的整体增强等都将起着极其重要的作用。
氮是金刚石的最主要的杂质元素之一，当金刚石中单原子替代式氮原子和近邻的一个空穴结合时会在金刚石结构中形成电中性的氮-空穴(NV0) 色心，而电中性的NV0色心俘获一个电子之后会形成带一个负电荷的NV-色心。近年来，氮-空穴(NV)色心在量子信息方面的应用引起了极大的关注。一般的金刚石中往往同时含有NV0和NV-两种状态的光学色心，但实际上仅NV-光学色心被证明拥有独特的量子性质，如光学自旋读出和长室温基态电子相干性。为了使NV光学色心应用于实际的量子和生物应用领域，NV光学色心必须满足一定的标准，其中最为重要的一条为提升金刚石结构中NV-和NV0光学色心之间的相对比例，最为理想的结果是金刚石中只含有NV-光学色心。
目前，调整金刚石中NV-和NV0光学色心之间的相对比例常用方法有粒子注入法、电子辐照法和退火处理三种方法，其中粒子注入法与电子辐照法也往往同时结合退火处理技术。例如J.Botsoa等使用2.4MeV的质子对Ib型金刚石进行辐射，并在真空状态600-1000℃的条件下进行辐射，从而优化了样品中NV-光学色心的浓度，但是未实现金刚石样品中只含有NV-光学色心的期望。由于使用的均为高能量的粒子，粒子注入法和电子辐照法这两种方式都会在不同程度上对金刚石的结构造成一定程度上的损伤，尤其是金刚石表面，极易使金刚石表面结构发生相变，即由sp3杂化的金刚石相转变为sp2杂化的石墨相。2018年，陈宁等对合成的金刚石使用退火处理的方法对NV-和NV0光学色心之间的相对比例进行了调整，在压力2.5GPa、温度1990℃的退火条件下实现了只含有NV-光学色心，其余的条件下所获得的样品要么同时含有NV-和NV0光学色心，要么既不含有NV-光学色心也不含有NV0光学色心。而且，此时退火温度过高，容易使金刚石表面也会发生少量的相变。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石的合成方法，该金刚石的合成方法操作条件温和，整个方法操作简单，不再需要对所合成的金刚石进行辐射、退火等复杂工艺处理，同时也避免了二次处理对金刚石结构造成损伤，可以使得合成出的金刚石色泽光亮，合成出的金刚石通过检测只含有NV-光学色心，使其拥有独特的量子性质，如光学自旋读出和长室温基态电子相干性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种金刚石的合成方法，具体包括如下步骤：
以石墨和触媒为原料进行合成，所述原料中添加所述触媒质量的 0.3-1wt％的羰基镍粉，合成压力为5-7GPa，合成温度为1280-1500℃。
目前现有技术中的金刚石合成方法的缺陷在于：
(1)现有技术工艺复杂，需要对合成的金刚石进行二次处理且增加成本；
(2)使用粒子注入、电子辐射均会造成金刚石表面的损伤，使sp3杂化的金刚石相转变为sp2杂化的石墨相；
(3)现有技术难以完全实现所合成的金刚石中只含有NV-光学色心。
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种金刚石的合成方法，该金刚石的合成方法通过合成的操作条件的调整以及添加一定质量的羰基镍粉，从而实现了所合成的金刚石中只含有NV-光学色心，当然这里羰基镍粉的添加比例也是需要控制在适宜的范围内，因为如果添加量太少经过检测其合成金刚石产品中会含有一定量的电中性NV0的光学色心，当然其添加比例也不能过大，因为通过实验发现如果添加量太大金刚石呈现为黑色几乎不透光、晶体出现连晶现象、表面，会影响到其实际的用途。
另外，本发明所添加的镍粉类型仅选择为羰基镍粉，其他方法合成镍粉是并不适用的，因为通过普通的镍粉合成出来的金刚石其并不能得到理想状态的金刚石。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述羰基镍粉添加的质量为所述触媒质量的0.4-0.7wt％。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述羰基镍粉添加的质量为所述触媒质量的0.5wt％。
本发明的羰基镍粉的添加百分比还可以为0.3wt％、0.6wt％、0.8wt％、 0.9wt％、1.0wt％等等。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述触媒的类型为FexNiyCoz。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述合成压力为6-6.5GPa，合成压力还可以为5.5GPa、6.2GPa、6.3GPa、6.4GPa等等。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述合成温度为1300-1400℃，合成温度还可以为1350℃、1450℃等等。
本发明的金刚石合成方法，本身合成压力以及合成温度均低于现有技术中的高压合成方法，并且该方法也不需要退火等其他步骤，操作方便。
本发明还提供了采用上述合成方法合成出的金刚石，合成出的金刚石通过检测只含有NV-光学色心，拥有了独特的量子性质，相比于其他结构的金刚石更具有使用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的金刚石合成方法操作条件温和，整个方法操作简单，不再需要对所合成的金刚石进行辐射、退火等复杂工艺处理。
(2)本发明所提供的金刚石合成方法合成出的金刚石通过检测只含有 NV-光学色心，使其拥有独特的量子性质，如光学自旋读出和长室温基态电子相干性。
(3)本发明提供的金刚石的合成方法不仅能够得到理想质感的金刚石，而且整个工艺过程中避免了二次处理对金刚石结构造成损伤，值得广泛推广进行应用。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1提供的金刚石光学照片；
图2为本发明实施例1提供的PL光谱；
图3为比较例1提供的金刚石光学照片；
图4为比较例1提供的PL光谱；
图5为比较例2提供的金刚石光学照片；
图6为比较例2提供的PL光谱；
图7为比较例3提供的金刚石光学照片；
图8为比较例4提供的PL光谱。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
使用石墨片作为金刚石生长的碳源，以粒度为0.8mm的人工金刚石作为晶种，FexNiyCoz为触媒，添加触媒质量的0.5wt％的羰基镍粉，加压并升温，合成压力为6GPa，合成温度为1400℃，合成的产品进行检测，通过图 1的照片发现其晶体颜色为墨绿色，且具有六-八面体晶体形貌，通过PL检测，如图2的光致发光光谱(PL)测试表明：所合成的金刚石内部只含有NV-光学色心，需要指出的是PL光谱中NV0光学色心的特征峰位于573nm处，很显然在该PL光谱中不含有573nm特征峰，即该金刚石中不含有NV0光学色心。然而，在PL光谱中有NV-光学色心存在且其对应的特征峰位于637 nm处。
实施例2
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加触媒质量的0.3wt％的羰基镍粉，其检测结果与实施例1一致。
实施例3
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加触媒质量的1wt％的羰基镍粉，其检测结果与实施例1一致。
实施例4
其他操作步骤与实施例1一致，只是合成压力为5GPa，其检测结果与实施例1一致。
实施例5
其他操作步骤与实施例1一致，只是合成压力为6-7GPa，其检测结果与实施例1一致。
实施例6
其他操作步骤与实施例1一致，只是合成温度为1280℃，其检测结果与实施例1一致。
实施例7
其他操作步骤与实施例1一致，只是合成温度为1500℃，其检测结果与实施例1一致。
比较例1
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加的羰基镍粉替换为钛，通过检测发现：金刚石呈现为无色透明，如图3所示，其相应的PL测试结果如图4所示，表明该晶体中既不含有呈电中性NV0，也无呈电负性NV-状态的光学色心出现，其原因在于金刚石中极其微量的氮缺陷难以与金刚石内部的空穴相结合。
比较例2
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加触媒质量的0.1wt％的羰基镍粉，检测结果为：所合成金刚石呈黄色为图5，且其内部氮杂质浓度约450 ppm，而且发现该样品所对应的PL光谱中如图6所示，同时既含有呈电中性NV0，也含有呈电负性NV-状态的光学色心。
比较例3
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加触媒质量的1.5wt％的羰基镍粉，检测结果为：如图7所示，所合成的金刚石呈现为黑色，几乎不透光、晶体出现连晶现象。
比较例4
其他操作步骤与实施例1一致，只是添加的镍粉为通过电解法所得到的镍粉，检测结果为：如图8的PL光谱结果可以知晓：该样品内部同时含有NV0与NV-两种状态的光学色心。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (5)

1.一种只含NV-光学色心的金刚石的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：以石墨和触媒为原料进行合成，所述原料中添加所述触媒质量0.3-1wt％的羰基镍粉，合成压力为5-7GPa，合成温度为1280-1500℃；
所述触媒的类型为FexNiyCoz。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述羰基镍粉添加的质量为所述触媒质量的0.4-0.7wt％。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述羰基镍粉添加的质量为所述触媒质量的0.5wt％。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述合成压力为6-6.5GPa。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述合成温度为1300-1400℃。
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