CN114127344A - 用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法 - Google Patents

用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法。通过在第一步骤中将至少一种掺杂剂注入到金刚石层中并在第二步骤借助于低能离子轰击将至少一个杂质原子掺合到金刚石层中以形成色心，可以实现大于70％的非常高的转化率。与转化率只约为6％的未掺杂的金刚石相比，这是一个显著的增长。在此，通过用诸如磷、氧或硫等供体进行掺杂，能够实现可用于量子位应用的带负电的色心的转化率。

Description

用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法。
背景技术
金刚石具有许多非凡的物理和化学特性。诸如极高的硬度、导热性和抗反应性等机械特性几个世纪以来一直是众所周知的，并在许多应用中使用。
自20世纪70年代以来，人们一直在研究金刚石的光学特性，但随着通过化学气相沉积(CVD)进行纳米结构化和生产金刚石的新方法的出现，最近在纳米光学和纳米光子学中开辟出令人兴奋的新研究和应用领域。
如今，能够以高同位素纯度合成具有无核自旋碳原子(12C)和特定晶体缺陷的金刚石。
特别地，对杂质原子的性质和浓度的控制为赋予金刚石专用的光学和电子属性提供了新的可能性。
量子技术特别受益于金刚石的非凡性能。在此，量子技术包括三大领域：量子计算、量子加密和量子感测。
物理量的精确检测是所有自然科学的基础，并且是几乎所有技术发展的必要前提和驱动力。尽管经典的传感器原理目前正在精细化、小型化和组合化，但可以预见的是，就此无法实现迄今为止已经实现的诸如灵敏度和特异性等关键参数的决定性增加。另一方面，诸如相干、叠加和纠缠等量子现象可用于以迄今为止未实现的精度来确定诸如压力、温度、位置、时间和运动或加速度、方位、重力或电场和磁场等变量。在此，量子传感器利用不同的量子系统，每个量子系统都有特定的优势。
这种量子系统可以借助于金刚石中的特定缺陷(被称为色心)来实现。这种色心例如是金刚石中的氮缺陷中心。氮缺陷中心(NV中心)是由金刚石中的氮原子和碳缺陷组成的原子系统。它们吸收大约450nm至637nm的波长范围内的光并发出红光。由于这些NV中心的亮度取决于外部磁场的强度且这些中心在原子级上很小，因此它们可用于以高的局部分辨率和良好的灵敏度测量磁场。通常的高灵敏度磁场传感器(例如，SQUID传感器)只能在极冷的情况下工作，这使得它们的操作成本非常高且技术复杂。在此，NV中心可以是一个重要的替代方案，因为它们可以在室温下使用并保留其量子特性(不同于例如SQUID传感器)。量子计算技术也是一个非常有前景的市场。即使如今在普通家用计算机中的可利用性很低，但量子计算机可以在某些特殊领域取代经典计算机，并且由于其性质，可以在这些领域中提供明显更大的计算能力。
在经典计算机中，信息被分解为位序列。在此，一个位可以出现两种可区分的状态，通常被表示为0和1或“开”和“关”。同样的原理也可用于量子力学系统。然而，应注意的是，在量子系统中，如果两个状态在至少一个量子数上不同，则它们被认为是可区分的。经典信息技术和量子力学信息技术之间的主要区别在于，在量子力学情况下，系统不一定处于0和1的两种状态中的一者中。相反，它可以处于叠加状态，即，两种状态的线性组合。在本发明的上下文中，这种量子信息的单位以及量子信息本身被称为“量子位”。
因此，与当今计算机的经典位相比，量子位可以处理更多的信息，从而为具有前所未有的计算能力的计算机提供了潜力。特别是这种量子位的产生目前是科学界正在投入大量研究的一个课题。科学家们正在寻找产生量子位并根据量子定律将它们相互连接成计算单元的最佳方法。
如同在量子感测领域中，金刚石中的NV中心特别是量子位发展的重点，从而也是量子计算发展的重点。这种基于固态的量子系统相对于替代的量子位系统具有一些优点。与被保持在精心设计的真空阱中以用于隔离的原子和离子相比，实验的实施更简单。较长的电子自旋相干时间使NV中心从诸如半导体量子点和超导体等其他固态系统中脱颖而出。这是由于几乎无核自旋的矩阵和由金刚石的高的德拜温度导致的电子与晶格光子状态的低耦合。另一个优点是带负电荷的NV中心(NV-)即使在室温下也具有这些自旋特性，这使得可以考虑在常规条件下操作量子设备。此外，具有核自旋的碳核(13C)不仅代表退相干源，而且在低浓度下也可有用地用于量子技术应用。
然而，各个近表面(near-surface)的色心(例如，NV中心)的有针对性(确定性)的产生和精确定位是具有挑战性的。一旦制成，它们就无法移动。
例如，从US 7,122,837 B2已知了通过在金刚石生长的同时引入氮或通过在金刚石生长完成之后注入氮来产生NV中心。该过程还可用于诸如氢、硼、磷和碳等其他类型的原子，以制造特定的色心。然而，由此实现的从注入的氮到NV中心的转化率非常低。
从EP 3 098 335 B1已知了通过掺杂例如磷、砷、硫或硼-氢复合物来将金刚石中的NV中心的电荷稳定性调节为非常高。然而，由此并不能解决转化率极低的问题。
近表面的色心(例如，NV中心)可以通过使用“慢”的低能离子照射(即，所谓的浅注入)来产生。然而，与高动能的辐射相比，在低能离子的情况下，转化率只有百分之几，如同US 7 122 837 B2和EP 3 098 335 B1的方法。因此，在此需要注入20-50个离子，以产生近表面NV中心。这种低效率导致了金刚石内部的许多缺陷，并干扰了NV中心的特性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以实现引入的离子到色心的高转化率的方法。特别地，这些转化率应至少为50％。
该目的通过根据权利要求1的本发明的方法、根据权利要求10的本发明的金刚石层和根据权利要求11的本发明的使用来实现。有利的改进示例在从属权利要求和以下结合附图的说明中给出。
本发明人认识到可以通过以下步骤以令人惊讶的方式和方法实现该目的：在第一步骤中，将掺杂剂注入到金刚石层中，并在第二步骤中，通过离子轰击掺合杂质原子以形成色心，其中，离子轰击是使用离子注量高达1010cm-2的杂质原子进行的。由此，可以实现超过70％的非常高的转化率。由于高转换率，根据本发明的方法导致成功连接或互连各个色心(特别是NV中心)的可能性增加，以便由此生产分别由两个以上的量子位组成的可用的量子位寄存器或量子位传感器。此外，无需额外的表面处理(例如，表面去除)，就可以产生具有色心的近表面层。
在本发明的上下文中，“金刚石层”既可以是金刚石块体材料中的层，也可以是沉积在相同材料或不同材料的基材上的定义的金刚石层。
本发明人推测，例如对于NV中心，通常流动性强的氢似乎在金刚石层的表面上累积，并在那里形成不可用的NVH复合物。此外，由即使以低能量发生的氮离子轰击产生的缺陷(空位-V)也是可移动的并累积在不再可用于形成NV中心的表面处。
现在，掺杂剂(特别是供体)似乎与氢(供体-H)结合，由此似乎也产生了供体。由此和由于引入的供体或受体本身，空位(V-或V+)带电，因此空位变为不可移动的，并不再扩散到表面，而是可用于形成色心。掺杂剂使弗伦克尔缺陷(具有间隙原子V0-CI的空位)带负电→V--C。它们在500℃下解离为V-和CI 0。因此存在更多的V-可用于形成NV。在硼或本征金刚石中，弗伦克尔缺陷主要是中性的，并能重新组合(恢复)。
根据本发明的用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法的特征在于，在第一步骤中，将至少一种掺杂剂注入到金刚石层中，并且在第二步骤中，通过低能量离子轰击将至少一个杂质原子掺合到金刚石层中以形成色心，其中，离子轰击是使用离子注量高达1010cm-2的杂质原子进行的。
在有利的改进示例中，使用优选为磷、氧、硫或锂的供体作为掺杂剂或使用优选为硼的受体作为掺杂剂。也可以使用包括多种掺杂剂的混合物(包括供体和受体的化合物)，以进行特殊调节。其中，硫是最优选的，因为由此可以实现大于或等于70％，特别是75.3％的最高转化率。然而，这是完全出乎意料和令人惊讶的，因为硫由于在霍尔测量中无法检测到自由电荷载流子而被认为是金刚石的不良供体。最重要的是，硫似乎确保了氢的结合，从而提高了转化率。磷(约60％)和氧(约70％)也非常合适。
Karin Groot-Berning等人的出版物：“Passive charge state control ofnitrogen-vacancy centres in diamond using phosphorous and boron doping(使用磷和硼掺杂对金刚石中的氮空位中心的无源电荷状态控制)”，Phys.Status Solidi A 211，第10期，2268-2273(2014)已经说明了一种两步骤的方法，该方法包括掺杂并随后用氮注入杂质原子。该研究的目的是稳定所产生的NV中心。为此，使用了超过1011cm-2的离子注量，其中，确定了约5％的转化率。然而，利用根据本发明的方法现在可以实现显著更高的转化率，这可能是由于仅达1010cm-2的明显降低的离子注量产生的显著更少的点缺陷或空位。然而，这种点缺陷或空位将导致额外的p掺杂或陷获中心(Trapping-Zentren)，这反过来又例如通过磷或硫补偿了n掺杂或结合电荷载流子，因此不能出现自由的、带负电荷的点缺陷，从而防止将N至NV的转换。
在一有利的改进示例中，杂质原子选自由氮、镁、碳、铅、硼、惰性气体、硅、过渡金属和锡组成的组。在硼掺杂金刚石中，在800℃时越来越多地形成双空位(V-V)(比在本征金刚石中更强，在N型金刚石中未观察到或仅非常微弱的观察到该双空位)。为了例如形成SiV，需要(V-V)，这因此在硼金刚石中导致硅杂质原子转化为SiV的速率增加。由此能够以高转化率生产有前景的色心。
优选的组合是作为供体的硫且作为杂质原子的氮。
硫具有如此有利的特性的原因似乎也可能是硫的能级与金刚石中的点缺陷(V)的能级正好匹配。这被认为由此可以实现电子从硫到点缺陷的非常好的转移(莫特跳跃(Mott-Hopping))。
此外，当硫用作掺杂剂时，它似乎可以稳定金刚石材料，这可能是由于硫在高温下由于相互排斥的缺陷而延迟了石墨的形成。更准确地说，硫似乎抑制了复杂缺陷丛的形成，因为带电空位或点缺陷(V-)相互排斥。因此，在第二回火步骤中随后可以选择更高的温度，这有利于转化率。
在一有利的改进示例中，色心是NV-中心。该色心对于量子技术应用是特别有前景的。
在一有利的改进示例中，掺杂剂浓度在1017cm-3至1019cm-3的范围内，优选在1×1018cm-3和9×1018cm-3之间。由此，在注入杂质原子过程中产生的空位带负电，这导致形成NV中心的可能性增加，并且形成V-V中心的可能性降低。
在一有利的改进示例中，注入掺杂剂的深度至少等于掺合的杂质原子的深度。掺杂剂的有利效果可用于所有掺合的杂质原子，因为这些杂质原子不会简单地产生缺陷，从而可以实现非常高的转化率。
在一有利的改进示例中，通过轰击利用掺杂剂来进行掺杂剂注入，特别是以小于或等于150keV的能量。因此在表面附近实现了非常高的转化率。尽管也可以使用其他方法来注入掺杂剂，但轰击提供了特别好的结果，因为借此可以针对掺杂剂的浓度分布设定定义的深度。
在一有利的改进示例中，掺杂剂注入在至少两个连续的不同步骤中进行，因为由此可以在金刚石层的深度上设定非常均匀的掺杂剂分布。例如，掺杂剂注入是在不同的注量和/或能量下通过掺杂剂轰击进行的。
在一有利的改进示例中，使用杂质原子进行离子轰击，该杂质原子的离子注量在104cm-2至1010cm-2的范围内，优选在107cm-2至1010cm-2的范围内，最优选在108cm-2至1010cm-2的范围内，特别是在109cm-2至1010cm-2的范围内。因此可以实现特别高的转化率。
在一有利的改进示例中，金刚石层中的色心的深度在5nm至100nm的范围内，优选在10nm至50nm的范围内，特别是在10nm至30nm的范围内，并且优选地在20nm和30nm之间。因此，色心布置成非常靠近表面，并可以容易地用于量子技术应用。更准确地说，色心可以容易地寻址，而不会受到表面效应的干扰。一方面，色心产生的确会受到干扰，特别是在表面附近，因为在此更频繁地发生能带弯曲，这妨碍了色心的形成。而另一方面，表面上不可避免的晶体扰动有利于诸如氢等干扰性杂质原子的渗透。然而，对于传感器的生产或量子位的寻址，表面处的色心是不可避免的。在所述深度范围内，现在有可能产生不受干扰的仍然可以很好寻址的量子位。
在一有利的改进示例中，在掺杂剂注入之后，进行第一回火步骤，其中，
i)第一回火步骤的回火温度优选在800℃至2000℃的范围内，更优选在800℃至1400℃的范围内，特别是在1000℃至1400℃的范围内，优选地不超过1200℃，并且最优选在1000℃至1200℃的范围内，且/或
ii)第一回火步骤的时间优选在1h和24h之间，特别是在2h和10h之间，优选在3h和6h之间。
通过该第一回火步骤，掺杂剂被电激活，使得它们可以容易地将它们的电荷转移到所产生的空位和色心。此外，由掺杂剂注入引起的缺陷得到了修复，并且掺杂剂布置在替代位点上，这对于高转化率是特别有利的。这对于掺杂剂轰击背景下的掺杂剂注入是特别有利的。
Karin Groot-Berning等人的出版物：“Passive charge state control ofnitrogen-vacancy centres in diamond using phosphorous and boron doping(使用磷和硼掺杂对金刚石中的氮空位中心的无源电荷状态控制)”，Phys.Status Solidi A 211，第10期，2 268-2273(2014)说明了掺杂的金刚石材料在1500℃下的回火步骤。然而，本发明人现在发现，当这种回火不超过1200℃时转化率特别高。然而，对此的物理背景仍然是未知的。
在一有利的改进示例中，在掺杂剂注入之后和/或在第一回火步骤之后，使用氧等离子体以清洁可能出现的任何石墨的表面。
在一有利的改进示例中，在掺合杂质原子之后进行第二回火步骤，其中，
iii)第二回火步骤的回火温度优选地低于第一回火步骤的回火温度，且/或优选在600℃至1300℃的范围内，特别是在800℃至1000℃的范围内，且/或
iv)第二回火步骤的时间优选在1h和24h之间，特别是在2h和10h之间，优选在3h和6h之间。第二回火步骤能够实现非常高的转化率，其中，当温度低于第一回火步骤期间的温度时，转化率特别高。该第二回火步骤提高了空位和杂质原子的迁移率，从而提高了色心形成的可能性。此外，由杂质原子注入引起的缺陷得到修复，这最终也将防止或至少干扰量子位的纠缠。
在一有利的改进示例中，第一回火步骤和/或第二回火步骤包括加热和/或激光照射，特别是快速热回火。因此，加热特别有效并可以实现非常高的转化率。
在一有利的改进示例中，提高费米能级，因为由此可以调节缺陷的电荷。费米能级优选地通过激光照射、电子轰击或电压施加来提高。费米能级的提高可以优选地在杂质原子注入期间、杂质原子注入之后和/或在第二回火步骤期间进行。然而，硫似乎也确保了费米能级的提高，从而提高了转化率。
在一有利的改进示例中，金刚石层存在于至少具有纯品质(“电子级”)的金刚石材料中。
金刚石层中的氢含量应优选地小于1017cm-3。
因此可以实现特别高的转化率。有利地，额外使用硫作为供体，因为由此似乎能结合氢，这进一步提高了转化率。
在一有利的改进示例中，金刚石层被构造为在更大深度上延伸的金刚石材料内的层，优选为表面层。然后可以特别容易地产生色心。然而，替代地，金刚石层也可以利用已知的方法直接生产在基材上。
要求对根据本发明的具有至少一个确定性色心的金刚石层进行独立保护，其特征在于，用于形成色心的杂质原子的类型以一定的原子数量存在于金刚石层中，该原子数量最多是金刚石层中的色心的数量的两倍。这对应于至少50％的转化率，因为随后引入的每两个杂质原子中的一者有助于形成色心。优选地，用于形成色心的杂质原子的类型以一定的原子数量存在于金刚石层中，该原子数量最多为金刚石层中的色心的数量的1.67倍(这相当于转化率至少为60％)，特别是最多为金刚石层中的色心数量的1.43倍(这相当于转化率至少为70％)。
此外，要求独立保护根据本发明的金刚石层或根据本发明生产的金刚石层作为量子位容器的使用，优选在传感器的背景下和/或在量子加密的背景下和/或在量子计算机应用的背景下的使用。例如，在金刚石层中充当量子位的色心(特别是NV中心)可以在AFM探针中用于特别精确的测量。
如上所述，尽管在EP 3 098 335 B1中也使用了掺杂剂，但它们只是用于影响已存在的色心的光学特性，即，将已经现有的NV0中心转化为NV-中心或确保NV-中心的长期稳定性，而在本发明的上下文中，掺杂剂用于确定性地形成色心本身。在这种情况下，根据本发明的注入和退火过程的顺序也具有有利的效果。虽然在EP 3 098 335中为了色心的电荷稳定性在注入掺杂剂和杂质原子之后只进行了一个退火步骤(回火步骤)，但在根据本发明的方法中，在注入掺杂剂和杂质原子之间使用了另一退火步骤(回火步骤)。只有这样才能有针对性地积极改变化学势，并在根据本发明在第二方法步骤中注入色心的原子时控制缺陷的特性。因此，在根据本发明的方法中注入的掺杂物的作用方式明显区别于在EP 3 098335 B1中执行的方法。
附图说明
本发明的特征和其他优点将在以下结合附图对优选的示例性实施例的说明中变得显而易见。在此，附图纯示意性地示出了如下内容：
图1示出了根据本发明的方法的框图；
图2示出了样品制备图；
图3示出了掺杂剂的浓度分布；
图4示出了用于确定背景信号的方法；
图5示出了用于确定参考信号的方法；
图6示出了实现的氮的转化率；
图7示出了取决于第二回火步骤的荧光变化；以及
图8示出了确定的相干时间的概览。
具体实施方式
在图1中可以看出，根据本发明的用于产生确定性色心的方法10优选地在四个步骤中进行。
在第一步骤12中，金刚石14(IIa型，CVD生长，“电子级”，杂质：[N]<5ppb，[B]<1ppb，(001)-表面抛光，面朝上)，将掺杂剂注入到金刚石14的金刚石层15(对应于金刚石的掺杂区的深度范围或随后产生的色心54的深度范围)中。这通过离子束源16进行，其中，优选地使用光阑18来局部地限定注入。
离子束源16具有作用在不同阴极上的铯溅射源，溅射的离子随后在电场中加速。
随后进行第一回火步骤20，以修复在注入过程中出现的任何缺陷。此外，这导致掺杂剂布置在金刚石晶格中的取代位点上。此外，掺杂剂被电激活，因此它们很容易释放电荷。对于第一回火步骤，使用特定的第一回火方案，其可以规定在特定的时间内应用特定的温度，或随后分别在特定的时间内应用不同的温度。
优选地，在第一回火步骤20之后，可以使用氧等离子体来清洁可能出现的任何石墨的表面。
然后，再次使用(例如考夫曼型)离子束源16进行离子轰击22，以掺合杂质原子，其中，优选地再次使用具有50μm的光阑开口的额外光阑18(参见图2)。
最后，进行第二回火步骤24以修复在杂质原子掺合期间产生的缺陷或通过提高迁移率将空位缺陷引导到杂质原子以形成色心。对于第二回火步骤，使用特定的第二回火方案，其也可规定在特定的时间内应用特定的温度，或随后分别在相应特定的时间内应用不同的温度。
回火20、24可分别使用常见的回火方法进行，其中，这优选地选自加热组，例如用加热板、IR辐射热和/或激光照射，但也可使用其他方法。
在其中至少一个步骤22、24期间，还可以额外地增加费米能级，这优选地通过激光照射、电子轰击或电压施加来进行。
图2示出了如何生产单独的测试样品30。
在此，分别提供了在空间上相互分离的掺杂区32、34、36，它们通过第一步骤12的不同掺杂产生。出于比较目的，各个掺杂区在此也可以保持为未注明日期的。
在测试样品30的情况下，掺杂区32是硼掺杂区，掺杂区34是未注明日期的(本征区)，并且掺杂区36是磷掺杂区。还使用了其中将氧和硫用作掺杂剂的其他掺杂区(未示出)。
为了实现2x1017cm-3或2x1018cm-3的尽可能均匀的掺杂，硼/磷的注入分别在三个步骤中进行(三种不同的能量和三种不同的注量(Fluenz))。
图3所示的掺杂剂浓度分布示出了非常恒定的平稳期，该平稳期的深度介于约25nm和约75nm之间且中心在约50nm处(参见表1和2，使用SRIM进行模拟)：
表1
Figure BDA0003432046390000111
表2
Figure BDA0003432046390000112
在第一回火步骤20的过程中，对生产的这些测试样品30进行回火，即例如在1200℃或1600℃下进行4小时的回火。
在每个掺杂区32、34、36中，石墨标记38被分别施加到样品上以用于定向。这是通过高剂量的碳注入来完成的，这导致这些区域石墨化。
除石墨标记38之外，然后通过离子轰击22产生各种杂质原子区40、42、44、46。杂质原子区40例如分别涉及作为杂质原子的碳，杂质原子区42例如分别涉及作为杂质原子的氮，杂质原子区44例如分别涉及作为杂质原子的锡，并且杂质原子区46例如分别涉及作为杂质原子的镁。
在此，分别使用了三种不同的注量a、b、c，即，例如根据测试样品30使用了不同的注量，杂质原子区40a、42a、44a、46a的注量为1010cm-2，杂质原子区40b、42b、44b、46b的注量为1011cm-2，并且杂质原子区40c、42c、44c、46c的注量为1012cm-2。
对于碳、氮和镁，使用了28keV、40keV和50keV的轰击能量，以便在与掺杂剂相同的深度范围内产生尽可能均匀的深度分布(金刚石层15，平均注入深度50nm)。对于锡，由于它的原子质量连同离子束源的100keV的限制，这是不可能的，因此在此只用了80keV(平均注入深度25nm)。在此，在各个轰击22的过程中，使用的阴极材料是用于碳杂质原子的碳阴极、用于氮杂质原子的12C14N阴极和用于镁杂质原子的24Mg1H阴极以及用于锡杂质原子的锡阴极。
由此实现的注入深度对应于掺杂剂分布(金刚石层15)的注入深度。此外，它们为足够小的，以便只能实现小于10nm的低离子散射，但同时又为足够大的，以便排除或最小化金刚石表面的所述负面影响。
随后，分别进行第二回火步骤24，其中，为此使用了600℃、800℃、1000℃和1200℃的不同温度。
然后，通过共焦荧光显微镜确定每个杂质原子区40、42、44、46关于所有注量a、b、c的荧光强度，其中，石墨标记38用于定向和检索。
为此使用了空气物镜或油物镜以及两种可能的532nm和488nm的激光激发。使用陷波滤波器(Notch-Filter)来抑制激光反射，并使用了不同的光谱滤波器来选择期望的荧光波段：中性空位V0(GR1-中心，ZPL位于741nm)、NV-中心(NV0的ZPL位于575nm，NV的ZPL位于638nm)、SnV中心(ZPL位于620nm)以及MgV中心(ZPL位于557nm)。
在此，在没有出现色心的特定区域50(参见图4)中确定背景强度(lbackg)，并且在存在可数数量的色心54的几何相同区域52(参见图5)中确定这些色心54的强度(lref)
图4和图5所示的片段具有大约10×10μm2的边缘长度。如果色心54的数量为每μm2不超过3至4个，则色心54在这种拍摄图像中通常是可区分的，即可以计数。
如果能够以此方式对色心54进行计数，则可以通过比较流入该区域的离子来直接推断出转化率。
如果这是不可能的，则通过参考值如下地确定转化率。在此，每个色心54的参考值(lsingle)按如下确定：
lsingle＝(lref-lbckg)/(区域52中的色心54的数量)
对于任意给定的区域56，色心54的密度DFz现在可以根据来自该区域56的面积S的总强度Iens使用以下关系确定：
DFz＝1/S*(Iens-lbackg)/lsingle
由此，可以通过以下确定转化率UR：
UR＝DFz/(掺合杂质原子期间的离子注量)
最后，确定了自旋相干时间T2和T2*。
结果表明，本征金刚石的NV中心54的转化率约为6％-8％。
通过掺杂硫、氧、磷或硼可以明显提高转化率(硫：75％、氧：70％、磷：50％和硼：40％，参见图6)。然而，在此只用硫、氧和磷来产生能够实现量子位的NV中心。这些值是通过以下参数获得的：对于掺杂，使用了磷的注量和能量：在4.1×1012cm-2时为40keV和在4.1×1012cm-2时为80keV；氧的注量和能量：在2.1×1012cm-2时为25keV和在4.2×1012cm-2时为50keV；硫的注量和能量：在1.6×1012cm-2时为40keV和在3.7×1012cm-2时为80keV；以及硼的注量和能量：在2.1×1012cm-2时为25keV和在4.2×1012cm-2时为50keV，而用氮注入杂质原子是在最大1010cm-2的注量和40keV的能量下进行的。
尽管这并不在预料之中，但特别是用硫可以因此实现非常高的转化率。
在第二回火步骤24中的更高的温度可能导致更高的NV中心转化率(参见图7，这是通过针对作为掺杂剂的磷的归一化荧光光谱的差异和针对不同样品从600℃到800℃的回火温度变化来显示的)，这可以解释为更高的温度修复了作为受体且也导致了空位从氮的更高流动性。
根据图8可以看出，对于硫掺杂，相干时间非常好，也就是说，与完全没有掺杂而存在本征金刚石的情况一样高。对于氧，相干时间仍然很好，而对于磷掺杂，不能达到很好的相干时间。
对于镁和锡得到了类似的结果，因此总体上可以说通过掺杂可以明显提高转化率。在此，通过掺杂诸如磷、氧或硫等供体，能够实现到可用于量子位应用的带负电色心的转化率。
由于高转化率，可以确定性地在金刚石中产生色心。
除非另有说明，本发明的所有特征可以相互自由组合。除非另有说明，附图说明中所述的特征也可以与其他特征自由组合作为本发明的特征。在此，没有明确规定将示例性实施的单个特征限制为与示例性实施例的其他特征的组合。此外，重新表述的金刚石层的客观特征也可以用作工艺特征，并且工艺特征也可以用作金刚石层的客观特征。因此，这种重新表述是自动公开的。
附图标记列表
10 根据本发明的用于产生确定性色心的方法
12 第一步骤，掺杂剂注入
14 金刚石
15 金刚石层
16 离子束源
18 光阑
20 第一回火步骤
22 第二步骤，离子轰击
24 第二回火步骤
30 测试样品
32、34、36 掺杂区
38 石墨标记
40、42、44、46 杂质原子区
50 无色心的金刚石层的特定区域
52 与特定区域50的面积几何相同的区域
54 色心，NV中心
56 任意区域
a、b、c 具有不同离子注量的杂质原子区40、42、44、46
DFz 借助于以下关系的色心54的密度
Ibackg 背景强度
Iens 总强度
Iref 色心54的强度
Isingle 参考值
S 区域56的面积
T2、T2* 自旋相干时间
UR 转化率

Claims (11)

1.一种用于在金刚石层(15)中产生至少一个确定性色心(54)的方法(10)，其特征在于，
在第一步骤(12)中，将至少一种掺杂剂注入到所述金刚石层(15)中，并且
在第二步骤(22)中，通过低能离子轰击将至少一个杂质原子掺合到所述金刚石层(15)中，以形成所述色心(54)，其中，所述离子轰击(22)是利用离子注量高达1010cm-2的杂质原子进行的。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其特征在于，
将优选为磷、氧、硫或锂的供体或优选为硼的受体用作所述掺杂剂，且/或
所述杂质原子选自由氮、镁、碳、铅、硼、惰性气体、硅、过渡金属和锡组成的组。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
所述色心是NV-中心(54)，且/或
利用如下的杂质原子进行所述离子轰击(22)，所述杂质原子的离子注量在104cm-2至1010cm-2的范围内，优选在107cm-2至1010cm-2的范围内，最优选在108cm-2至1010cm-2的范围内，特别是在109cm-2至1010cm-2的范围内。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，
所述掺杂剂的浓度在1017cm-3至1019cm-3的范围内，优选在1×1018cm-3和9×1018cm-3之间，且/或
利用所述掺杂剂通过轰击来进行所述掺杂剂注入(12)，特别是以小于或等于150keV的能量和/或在109cm-2至1013cm-2的范围内，优选在1010cm-2至1012cm-2的范围内，特别在1011cm-2至1012cm-2的范围内的掺杂剂注量进行所述掺杂剂注入，且/或
所述掺杂剂注入(12)在至少两个连续的不同步骤中进行，其中，所述掺杂剂注入(12)优选地通过在不同的注量和/或能量下的掺杂剂轰击进行。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，
所注入的所述掺杂剂的深度至少等于所掺合的所述杂质原子的深度，且/或
所述金刚石层(15)中的所述色心(54)的深度在5nm至100nm的范围内，优选在10nm至50nm的范围内，特别优选在10nm至30nm的范围内，并且特别在20nm至30nm之间。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，在所述供体注入(12)之后，进行第一回火步骤(20)，其中，
i)所述第一回火步骤(20)的回火温度优选在800℃至2000℃的范围内，特别是在800℃至1400℃的范围内，并且优选在1000℃至1200℃的范围内，且/或
ii)所述第一回火步骤(20)的时间优选在1h和24h之间，特别是在2h和10h之间，优选在3h和6h之间。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，在所述杂质原子掺合(22)之后，进行第二回火步骤(24)，其中，
iii)所述第二回火步骤(24)的回火温度优选地低于所述第一回火步骤(20)的回火温度，且/或优选在600℃至1300℃的范围内，特别是在800℃至1000℃的范围内，且/或
iv)其中，所述第二回火步骤(24)的时间优选在1h和24h之间，特别是在2h和10h之间，优选在3h和6h之间。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，提高费米能级，其中，所述提高优选在所述杂质原子注入(22)期间、在所述杂质原子注入(22)之后和/或在所述第二回火步骤(24)期间进行，其中，所述提高特别通过激光照射、电子轰击或电压施加进行。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法(10)，其特征在于，所述金刚石层(15)存在于至少具有纯品质的金刚石材料(14)中，其中，所述金刚石层(15)中的氢含量优选地小于1017cm-3，且/或
所述金刚石层(15)被形成为在更大深度上延伸的金刚石材料(14)内的层，优选为表面层。
10.一种具有至少一个确定性色心(54)的金刚石层(15)，其特征在于，用于形成所述色心(54)的杂质原子的类型以一定的原子数量存在于所述金刚石层(15)中，所述原子数量最多为所述金刚石层(15)中的所述色心(54)数量的两倍。
11.根据权利要求10所述的或根据权利要求1至9中任一项生产的具有至少一个确定性色心(54)的金刚石层(15)作为量子位容器的使用，优选在传感器的背景下和/或在量子加密的背景下和/或在量子计算机应用的背景下的使用。
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