EP4367300A1 - Verfahren zur herstellung eines optisch adressierbaren farbzentrums - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines optisch adressierbaren farbzentrums

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EP4367300A1
EP4367300A1 EP22747597.7A EP22747597A EP4367300A1 EP 4367300 A1 EP4367300 A1 EP 4367300A1 EP 22747597 A EP22747597 A EP 22747597A EP 4367300 A1 EP4367300 A1 EP 4367300A1
Authority
EP
European Patent Office
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substrate
electromagnetic radiation
ppm
cnr
partial area
Prior art date
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Pending
Application number
EP22747597.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan JESKE
Ralf Ostendorf
Tingpeng Luo
Sascha Brose
Klaus Bergmann
Serhiy Danylyuk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP4367300A1 publication Critical patent/EP4367300A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/403—AIII-nitrides
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    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/04—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure using electric or magnetic fields or particle radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at least one optically addressable color center in a substrate, comprising the following steps: providing a substrate which contains or consists of a crystalline material, irradiating at least a partial area of the substrate with electromagnetic radiation to generate at least one vacancy.
  • Such methods can be used to fabricate magnetometers or spin-based quantum registers.
  • 3192 is known to introduce nitrogen as a dopant in the form of a surface-parallel doping layer into a diamond substrate. In this way, optically addressable color centers in the form of NV centers can be generated in diamond, which are evenly spaced from the surface.
  • NV centers can be arranged in the substrate in a reproducible manner with great accuracy.
  • the position of the NV centers is essentially uncontrolled.
  • the production of spin-based quantum registers or QuBits is therefore not possible.
  • NV centers must be created in a three-dimensionally precisely positioned manner in the substrate so that the electron spins of different NV centers can be deterministically coupled and decoupled. This requires the creation of a pair of NV centers that are less than 50 nm apart.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method with which individual NV centers or pairs of NV centers can be produced with a defined spacing at predeterminable locations in the substrate.
  • a method for producing at least one optically addressable color center in a substrate is disclosed.
  • the substrate may contain or consist of a crystalline material.
  • the substrate can be mono- or polycrystalline.
  • a monocrystalline material has the advantage that the properties of the color centers can be improved, in particular the coherence times.
  • a polycrystalline substrate can be produced over a large area, which in particular facilitates the use of the method according to the invention in mass-produced articles.
  • the substrate can be formed as a thin layer on a carrier material. In particular, such a thin film can be grown epitaxially.
  • At least one optically addressable color center is introduced into the substrate.
  • the color center contains at least one vacancy or defect, which occupies a lattice site in the crystalline material of the substrate.
  • the vacancy allows bonding electrons of the next Be assigned to neighboring atoms of the crystal lattice.
  • the color center containing the vacancy may be negatively charged.
  • Unbound electrons of the color center can have a ground state and at least one excited state, it being possible for the respective state of the color center to be detected spectroscopically and/or manipulated. For the purposes of this description, such a color center is called optically addressable.
  • the color center has at least one degenerate doublet state whose degeneracy can be reversed by an external magnetic or electric field
  • the color center produced according to the invention can be used as a magnetometer, for example.
  • the optically addressable color center can be part of a qubit or a quantum register containing multiple qubits.
  • the invention In order to generate the vacancy, it is proposed according to the invention to irradiate the substrate or at least a partial area of the substrate with electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation is set up and intended to remove an atom of the crystal lattice from a lattice site and thus to create a vacancy.
  • the electromagnetic radiation proposed according to the invention has a low penetration depth, which in some embodiments of the invention can be less than 20 mpi or less than 10 mpi or less than 5 mpi.
  • the color centers can be generated close to the surface in the substrate.
  • the short wavelength also enables a high spatial resolution, which is further improved by non-linear scaling of the generation probability with the intensity. This way you can optically addressable color centers or vacancies are generated at defined locations within the plane defined by the substrate.
  • the location of the color center can be controlled laterally with great accuracy using the method according to the invention. This makes it possible to generate color centers at precisely defined locations within the substrate and/or to generate color centers with a definable distance from one another in the substrate. In some embodiments, this predefinable distance can be less than approximately 50 nm, so that spin-spin coupling of the electron spins of the adjacent color centers becomes possible.
  • the substrate may further contain at least one dopant.
  • the dopant can be set up to produce shallow imperfections in the substrate, which lead to the formation of non-equilibrium charge carriers in the substrate.
  • the dopant can be incorporated at least partially on a lattice site of the crystal lattice of the substrate.
  • the dopant can be selected from nitrogen and/or silicon and/or germanium and/or zinc and/or lead.
  • the crystalline material of the substrate can be selected from diamond or silicon carbide or zinc oxide or boron nitride.
  • the optically addressable color center can thus be a nitrogen vacancy (NV) center in diamond, which is known per se.
  • NV nitrogen vacancy
  • a silicon vacancy center, a germanium vacancy center, a zinc vacancy center, and/or a lead vacancy center may be created in diamond.
  • a nitrogen vacancy center and/or a bi-vacancy Center are generated in silicon carbide.
  • a zinc vacancy center can be created in zinc oxide.
  • vacancies can be created in two-dimensional materials, for example in boron nitride.
  • the electromagnetic radiation can have a vacuum wavelength of about 2 nm to about 20 nm. In other embodiments of the invention, the electromagnetic radiation can have a vacuum wavelength of about 9 nm to about 15 nm. In yet other embodiments of the invention, the electromagnetic radiation may have a vacuum wavelength of about 13.2 nm to about 13.8 nm. This corresponds to a wavelength of about 13.5 nm + 2%. Finally, in some embodiments of the invention, the electromagnetic radiation may have a vacuum wavelength of about 4 nm to about 6 nm. In some embodiments of the invention, the vacuum wavelength can be between about 4.7 nm to about 5.1 nm, which corresponds to a wavelength of 4.9 nm+
  • the electromagnetic radiation used according to the invention can enable better crystal quality, so that the coherence time of the color centers produced in this way can be extended.
  • the electromagnetic radiation used according to the invention can be focused and/or is capable of interference, so that the location at which the vacancy occurs can be controlled.
  • the electromagnetic radiation can be generated by an incoherent radiation source.
  • the brilliance of an incoherent radiation source can be greater than 1-10 10 photons per second within the wavelength range used and the solid angle intercepted.
  • the electromagnetic radiation used according to the invention can be generated by means of a coherent radiation source.
  • the brilliance of a coherent radiation source can be greater than 1-10 7 photons per second within the wavelength range used.
  • the radiation source may be a plasma source using, for example, an inert gas plasma or a metal vapor plasma.
  • the electromagnetic radiation can be generated using a synchrotron radiation source or a free-electron laser.
  • the at least one partial area of the substrate can be dosed with a dose of from about 1 J/cm 2 to about 20 J/cm 2 or from about 5 J/cm 2 to about 15 J/cm 2 or from about 8 J/cm 2 cm 2 to about 12 J/cm 2 of electromagnetic radiation.
  • This radiation density is sufficient to produce a sufficient density of color centers and, on the other hand, to prevent excessive damage to the crystal lattice of the substrate.
  • the partial area of the substrate exposed to the electromagnetic radiation can have an area of approximately 10 nm 2 to approximately 100 nm 2 . In other embodiments of the invention, the partial area of the substrate exposed to the electromagnetic radiation can have an area of approximately 4 nm 2 to approximately 200 nm 2 .
  • the color centers can be generated in a laterally limited area of the substrate. In this way, closely adjacent color centers can also be generated, so that spin-spin coupling between adjacent color centers is possible, or a magnetometer with high spatial resolution can be produced.
  • two partial areas of the Substrates have a distance of about 4 nm to about 50 nm or from about 10 nm to about 50 nm to each other. This allows spin-spin coupling between neighboring color centers so that they can be in an entangled state.
  • an interference pattern can be generated on the substrate or a mask can be imaged using refractive or reflective optics.
  • a mask can be imaged using refractive or reflective optics.
  • several sub-areas can be exposed to the electromagnetic radiation at a defined distance from one another, so that a predeterminable local distribution is generated within the plane defined by the substrate of the color centers thus produced in the substrate.
  • the dopant can be introduced into the substrate in the form of at least one surface-parallel doping layer, with nominally undoped crystalline material adjoining the doping layer. This feature allows a three-dimensional control of the location(s) of the resulting color centers, since the location within the substrate plane is defined by the selection of the respective irradiated partial area of the substrate and the depth within the substrate is defined by the position of the doped layer.
  • the doping layer may have a thickness of from about 1 nm to about 20 nm or from about 1 nm to about 5 nm.
  • a lower thickness of the doping layer allows a better spatial localization of the color centers along the normal direction of the substrate.
  • the color centers can have improved properties, in particular a longer coherence time, if they adjoin nominally undoped or intrinsic material in the substrate.
  • the dopant in the substrate or in a surface-parallel doping layer in a concentration of about 50 ppm to about 5000 ppm or from about 50 ppm to about 500 ppm or from about 80 ppm to about 400 ppm or about 400 ppm to about 1000 ppm. In this range of values, on the one hand, color centers are produced with high efficiency. On the other hand, the color centers created in this way are not negatively influenced by the dopant, in particular the coherence time remains in a technically usable range.
  • the substrate can be produced in a PVD or CVD process.
  • the dopant can be introduced in the desired concentration in a particularly simple manner.
  • doped layers can be embedded in intrinsic material or only individual surface areas can be provided with a dopant within the plane defined by the substrate.
  • the substrate can be overgrown in a PVD or CVD process, in which case a doping layer can be introduced. After irradiation to produce color centers, the substrate can again be overgrown in a PVD or CVD process, with a further doping layer being able to be introduced, which is then in turn irradiated to produce color centers. In this way, color centers can be generated in a three-dimensional lattice or grid in the substrate.
  • At least one surface of the substrate can be polished prior to the irradiation of at least a partial area.
  • the polishing can result in at least one surface of the substrate having a roughness of less than about 2 nm or less than about 1 nm. points.
  • At least one surface of the substrate can have a surface termination that increases the electronegativity with respect to the free surface.
  • a surface termination with oxygen and/or nitrogen and/or fluorine can take place for this purpose.
  • surface termination is understood to mean foreign atoms which are bonded to the dangling bonds of the atoms on the surface of the crystal lattice of the substrate.
  • the surface termination can allow for improved generation and/or charge stabilization of the color centers.
  • the substrate may be post-irradiation annealed at a temperature from about 600°C to about 1000°C or from about 800°C to about 1000°C to allow for the healing of defects and/or the through to transport vacancies generated by the irradiation to a lattice site adjacent to the dopant.
  • the substrate can already be heated to a temperature of about 600°C to about 1000°C or of about 800°C to about 1000°C during the irradiation. As a result, the number of color centers produced can be increased or the number of remaining lattice defects can be reduced and/or the processing time required for an additional method step can be saved.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an NV center in diamond.
  • FIG. 2 shows a substrate according to the invention in section.
  • FIG. 3 shows the penetration depth of electromagnetic radiation versus wavelength for three different substrate materials.
  • FIG. 4 shows photoluminescence recordings before and after exposure to electromagnetic radiation.
  • FIG. 5 shows the fluorescence signal versus wavelength of a substrate before exposure to electromagnetic radiation.
  • FIG. 6 shows the fluorescence signal versus wavelength for a substrate after exposure to electromagnetic radiation.
  • FIG. 7 shows a first embodiment of a device for producing at least one color center in a substrate.
  • FIG. 8 shows a second embodiment of a device for producing a color center in a substrate.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of a device for producing a color center in a substrate.
  • FIG. 1 shows a section of the crystal lattice of diamond.
  • the diamond structure is characterized by a diatomic base FFC lattice.
  • the undisturbed, Single-crystal diamond lattice consists exclusively of sp 3 - hybridized carbon.
  • An NV center is formed by a nitrogen atom N occupying a lattice site of a carbon atom. Adjacent to the nitrogen atom is a vacancy or vacancy V. The closest neighbors of the vacancy are thus three carbon atoms C and one nitrogen atom N.
  • the disruption of the crystal lattice by a vacancy and a neighboring nitrogen atom N gives the NV center its name.
  • the NV center can be negatively charged, so that six electrons are assigned to the NV center.
  • Spin singlet and spin doublet are energetically separated. The separation is 12 peV.
  • other color centers can also be generated according to the invention in the form of vacancy-based quantum systems, for example a SiV center, a GeV center, a ZnV center or a PbV center. Center.
  • the color center can also be an NV center or a bi-vacancy center.
  • the color center can be a ZnV center, where V stands for the vacancy in each case.
  • the optically addressable color center can be used as a magnetometer in some embodiments of the invention.
  • the optically addressable color center or a plurality of adjacent color centers can be part of a qubit, it being possible for a plurality of qubits to be combined to form a quantum register.
  • a quantum register can be set up to operate at room temperature or at liquid nitrogen temperature.
  • the substrate 1 contains a crystalline material, for example diamond, silicon carbide, zinc oxide or boron nitride.
  • the substrate can be produced homoepitaxially or heteroepitaxially by means of activated gas phase deposition.
  • the substrate may be monocrystalline.
  • the substrate may be polycrystalline.
  • Heteroepitaxially produced, polycrystalline substrates are particularly suitable for the production of large-area substrates for the mass market. Monocrystalline substrates produced heteroepitaxially can provide optically addressable color centers with a particularly high quality.
  • FIG. 2 also shows that the substrate 1 has a first side 11 and an opposite second side 12 .
  • the first side 11 may be polished to have an RMS roughness of less than about 2 nm or less than about 1 nm.
  • the first side 11 may have a surface termination that increases electronegativity relative to the free surface. If the substrate 1 contains or consists of diamond, the surface termination can contain or consist of oxygen and/or nitrogen and/or fluorine.
  • FIG. 2 also shows that the substrate 1 contains a doping layer 15 .
  • a dopant is introduced within the doping layer 15 in a concentration of from about 50 ppm to about 5000 ppm, or from about 50 ppm to about 500 ppm, or from about 80 ppm to about 400 ppm, or from about 400 ppm to about 1000 ppm.
  • the doping layer can have a thickness of about 1 nm to about 20 nm or of about 1 nm to about 10 nm or of about 1 nm to about 5 nm along the normal vector of the substrate 1 .
  • the doping layer can contain nitrogen, for example, if the substrate contains 1 diamond or consists of it. Adjacent to the doping layer 15 is nominally undoped crystalline material.
  • the doping layer 15 can be present in the substrate at a depth of about 4 mpi to about 10 mpi starting from the first side 11 of the substrate 1 .
  • the substrate 1 can contain a plurality of doping layers 15 which are each at a distance of approximately 5 mpi to approximately 10 mpi from one another.
  • optically addressable color centers for example NV centers, can be arranged in a three-dimensional lattice within the substrate 1.
  • the vacuum wavelength can be selected in the range from about 2 nm to about 20 nm, or from about 9 nm to about 15 nm, or from about 4 nm to about 6 nm.
  • the electromagnetic radiation has the effect that vacancies are generated in the crystal lattice of the substrate 1, which together with the dopant form the desired color center, in the illustrated exemplary embodiment NV centers in diamond.
  • the NV centers also arise only in the irradiated partial centers, so that these are localized at precisely defined locations within the plane defined by the substrate 1. This also makes it possible, for example, to generate groups of closely adjacent NV centers which are at a greater distance from adjacent groups of NV centers. For example, two closely spaced NV centers may be about 4 nm to about 50 nm or about 10 nm to about 50 nm apart such that spin-spin coupling occurs between these adjacent NV centers.
  • FIG. 3 shows the penetration depth in nanometers on the ordinate against the wavelength in nanometers for different substrate materials, namely diamond, silicon carbide and zinc oxide. It can be seen from FIG. 3 that there is an optimal penetration depth of about 10 nm to about 10 mpi in the wavelength range between about 0.9 nm and about 18 nm. Thus, near-surface, optically well addressable and readable color centers can be generated in the substrate 1.
  • FIG. 4 shows a detail from the first side 11 of a substrate 1.
  • the substrate contains diamond, which is doped with nitrogen.
  • the doping concentration is between about 50 ppm and about 300 ppm.
  • An approximately circular partial area of the substrate 1 was irradiated with electromagnetic radiation with a vacuum wavelength of approximately 4.9 nm.
  • the applied dose is 10 J/cm 2 .
  • FIG. 4 shows the photoluminescence signal before the irradiation in the left part of the picture and after the irradiation in the right part of the picture.
  • the photoluminescence in the irradiated partial area increases significantly. This is explained again in more detail in FIG. 5 and FIG. is shown each plots the fluorescence signal in arbitrary units versus wavelength in nanometers.
  • the zero photon line of the NV center is marked with an arrow both in FIG. 5 and in FIG.
  • the fluorescence signal is plotted against the wavelength for a partial area outside the irradiated area in curve A and within the irradiated area in curve B.
  • the substrate behaves within the partial area intended for the irradiation and outside of the partial area intended for the irradiation partial area identical. There is no significant difference in the fluorescence signals.
  • the zero photon line of the NV center is only slightly pronounced.
  • the devices described in more detail with reference to FIGS. 7, 8 and 9 can be used for this purpose.
  • the devices proposed according to the invention each contain a light source 2 which emits electromagnetic radiation with a vacuum wavelength of less than about 20 nm.
  • the vacuum wavelength of the electromagnetic radiation can be, for example, 4.9 nm+4% or 13.5 nm+2%.
  • the light source 2 can be a plasma source, for example, which generates electromagnetic radiation in the stated wavelength range from a zinc or argon plasma.
  • the light source 2 can be a coherent light source, for example synchrotron radiation or a free-electron laser.
  • the light from the light source 2 is focused by focusing optics 3 onto a focal point 20 on the substrate 1 .
  • the focusing optics 3 can be diffractive or reflective optics, for example.
  • the focus point 20 can be directed to a predeterminable partial area of the substrate 1 by relative movement of the substrate 1 and the optics 3, so that the location of the origin of the color centers can be controlled with high accuracy.
  • the second embodiment of the device according to the invention according to FIG. 8 also shows a light source 2 .
  • the radiation emanating from there is directed onto a mask 4 via diffractive or reflective optics 3 .
  • the image of the mask 4 is then imaged onto the surface of the substrate 1 by means of imaging optics 5 .
  • the mask 4 can be a shadow mask or a stripe mask, for example. Accordingly, a dot or stripe pattern 25 is formed on the substrate 1, the intensity in the minima being less than about 75% or less than about 60% of the intensity of the maxima.
  • the device shown in FIG. 8 is therefore suitable for generating a large number of color centers and/or pairs of color centers at defined locations within the substrate 1 with just a single exposure.
  • the third embodiment according to FIG. 9 also contains a light source 2 whose radiation is directed onto the substrate 1 by means of diffractive or reflective optics 3 . Also located in the beam path is an absorbing mask 4 or a diffraction grating. In the first case, electromagnetic radiation is absorbed by the mask 4 so that a dot or stripe pattern 25 is again formed on the surface 1 . In the other exemplary embodiment, the dot or stripe pattern 25 forms as an interference pattern on the substrate 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums (NV) in einem Substrat (1) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrates (1), welches ein kristallines Material und zumindest einen Dotierstoff enthält oder daraus besteht, Bestrahlen von zumindest einer Teilfläche des Substrates (1) mit elektromagnetischer Strahlung (20, 25) zur Erzeugung zumindest einer Vakanz, wobei die elektromagnetische Strahlung (20, 25) eine Vakuumwellenlänge von weniger als 20 nm aufweist und wobei die zumindest eine Teilfläche des Substrates (1) mit einer Dosis von etwa 1 J·cm-2 bis etwa 20 J·cm-2 der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines optisch adressierbaren Farbzentrums
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums in einem Substrat mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrates, welches ein kristallines Material enthält oder daraus besteht, Bestrahlen von zumindest einer Teilfläche des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung zur Erzeugung zumindest einer Vakanz. Solche Verfahren können zur Herstellung von Magnetometern oder Spinn-basierten Quantenregistern eingesetzt werden.
Aus T. Jaffe, M. Attrash, M. K. Kuntumalla, R. Akhvlediani, S. Michaelson, L. Gal, N. Felgen, M. Fischer, J. P. Reithmaier, C. Popov, A. Hoffman und M. Orenstein: „Novel ultra localized and dense nitrogen delta-doping in diamond for advanced quantum sensing", Nano Letters 2020, 20, 5,
3192 ist bekannt, in ein Diamantsubstrat Stickstoff als Dotierstoff in Form von einer oberflächenparallelen Dotier schicht einzubringen. Hierdurch können optisch adressierbare Farbzentren in Form von NV-Zentren in Diamant erzeugt werden, welche einen gleichmäßigen Abstand von der Oberfläche aufweisen.
Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die NV-Zentren zwar in der Tiefe mit hoher Genauigkeit reproduzierbar im Substrat angeordnet werden können. Inner halb der durch das Substrat aufgespannten Ebene ist die Lage der NV-Zentren jedoch im Wesentlichen unkontrolliert. Insbe sondere die Herstellung von Spin-basierten Quantenregistern oder QuBits ist somit nicht möglich. Hierzu müssen NV- Zentren dreidimensional im Substrat präzise positioniert erzeugt werden, sodass die Elektronenspins verschiedener NV- Zentren deterministisch gekoppelt und entkoppelt werden können. Dies erfordert die Erzeugung von einem Paar von NV- Zentren, welche einen Abstand von weniger als 50 nm zueinan der aufweisen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem einzelne NV-Zentren oder Paare von NV-Zentren mit einem definierten Abstand an vorgebbaren Stellen im Substrat erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums in einem Substrat. Hier bei kann das Substrat ein kristallines Material enthalten oder daraus bestehen. Das Substrat kann mono- oder polykris tallin sein. Ein monokristallines Material hat dabei den Vorteil, dass die Eigenschaften der Farbzentren verbessert sein können, insbesondere die Kohärenzzeiten. Ein polykris tallines Substrat kann großflächig hergestellt werden, was insbesondere die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Massenartikeln erleichtert. Das Substrat kann als Dünn schicht auf einem Trägermaterial ausgebildet sein. Insbeson dere kann eine solche Dünnschicht epitaktisch gewachsen sein.
Erfindungsgemäß wird in das Substrat zumindest ein optisch adressierbares Farbzentrum eingebracht. Das Farbzentrum enthält dabei zumindest eine Vakanz bzw. Fehlstelle, welche einen Gitterplatz im kristallinen Material des Substrates einnimmt . Der Vakanz können Bindungselektronen der nächsten Nachbaratome des Kristallgitters zugeordnet sein. Darüber hinaus kann das die Vakanz enthaltende Farbzentrum negativ geladen sein. Ungebundene Elektronen des Farbzentrums können einen Grund- und zumindest einen angeregten Zustand auf- weisen, wobei der jeweilige Zustand des Farbzentrums spek troskopisch erfasst und/oder manipuliert werden kann. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird ein solches Farbzentrum optisch adressierbar genannt.
Sofern das Farbzentrum zumindest einen entarteten Dublett- Zustand aufweist, dessen Entartung durch ein externes magnetisches oder elektrisches Feld aufgehoben werden kann, kann das erfindungsgemäß hergestellte Farbzentrum beispiels weise als Magnetometer verwendet werden. Darüber hinaus kann das optisch adressierbare Farbzentrum Teil eines QuBits oder eines mehrere QuBits enthaltenden Quantenregisters sein.
Zur Erzeugung der Vakanz wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Substrat bzw. zumindest eine Teilfläche des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung zu bestrahlen. Die elek tromagnetische Strahlung ist dazu eingerichtet und bestimmt, ein Atom des Kristallgitters von einem Gitterplatz zu ent fernen und damit eine Vakanz zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die hierzu verwendete elektroma gnetische Strahlung aus dem Bereich weicher Röntgenstrahlung oder harter UV-Strahlung (EUV) des elektromagnetischen Spektrums zu wählen, d.h. die eingesetzte elektromagnetische Strahlung weist eine Vakuumwellenlänge von weniger als 20 nm auf. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektromagnetische Strahlung weist eine geringe Eindringtiefe auf, welche in einigen Ausführungsformen der Erfindung weniger als 20 mpi oder weniger als 10 mpi oder weniger als 5 mpibetragen kann. Hierdurch können die Farbzentren oberflächennah im Substrat erzeugt werden. Die kurze Wellenlänge ermöglicht darüber hinaus eine hohe räumliche Auflösung, welche noch verbessert wird durch eine nicht-lineare Skalierung der Erzeugungswahr scheinlichkeit mit der Intensität. Auf diese Weise können optisch adressierbare Farbzentren bzw. Vakanzen an definierten Orten innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene erzeugt werden. Anders als das bekannte Verfahren nach dem Stand der Technik, welches nur eine gute Tiefenauflösung ermöglicht, jedoch eine geringe laterale Auflösung hat, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ort des Farbzentrums lateral mit großer Genauigkeit kontrolliert werden. Damit ist es möglich, Farbzentren an genau definierten Orten innerhalb des Substrates zu erzeugen und/oder Farbzentren mit einem vorgebbaren Abstand zuein ander im Substrat zu erzeugen. Dieser vorgebbare Abstand kann in einigen Ausführungsformen geringer sein als etwa 50 nm, sodass eine Spin-Spin-Kopplung der Elektronenspins der benachbarten Farbzentren möglich wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat weiterhin zumindest einen Dotierstoff enthalten. Der Dotier stoff kann dazu eingerichtet sein, flache Störstellen im Substrat zu erzeugen, welche zur Ausbildung von Nichtgleich- gewichtsladungsträgern im Substrat führen. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann der Dotierstoff zumindest teilweise auf einem Gitterplatz des Kristallgitters des Substrates eingebaut sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff ausgewählt sein aus Stickstoff und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zink und/oder Blei. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das kristalline Mate rial des Substrates ausgewählt sein aus Diamant oder Sili- ciumcarbid oder Zinkoxid oder Bornitrid. Das optisch adressierbare Farbzentrum kann somit ein an sich bekanntes Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV-Zentrum) in Diamant sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann in Diamant ein Silizium-Vakanz-Zentrum, ein Germanium-Vakanz-Zentrum, ein Zink-Vakanz-Zentrum und/oder ein Blei-Vakanz-Zentrum erzeugt werden. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Stickstoff-Vakanz-Zentrum und/oder ein Bi-Vakanz- Zentrum in Siliziumcarbid erzeugt werden. In wiederum ande ren Ausführungsformen der Erfindung kann ein Zink-Vakanz- Zentrum in Zinkoxid erzeugt werden. In wiederum anderen Aus führungsformen der Erfindung können Vakanzen in zwei dimensionalen Materialien erzeugt werden, beispielsweise in Bornitrid.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektro magnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 2 nm bis etwa 20 nm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 9 nm bis etwa 15 nm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 13,2 nm bis etwa 13,8 nm aufweisen. Dies entspricht einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm + 2 %. Schließlich kann die elektromagnetische Strahlung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Vakuumwellenlänge von etwa 4 nm bis etwa 6 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vakuumwellenlänge zwischen etwa 4,7 nm bis etwa 5,1 nm betragen, dies entspricht einer Wellenlänge von 4,9 nm +
4 %. Gegenüber Elektronen- oder Ionenstrahlen kann die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung eine bessere Kristallqualität ermöglichen, so dass die Kohärenzzeit der so erzeugte Farbzentren verlängert sein kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung fokussierbar und/oder zur Interferenz fähig, so dass der Ort der Entstehung der Vakanz kontrolliert werden kann.
Die elektromagnetische Strahlung kann in einigen Aus führungsformen der Erfindung durch eine inkohärente Strahlungsquelle erzeugt werden. Die Brillanz einer inko härenten Strahlungsquelle kann größer als 1-1010 Photonen pro Sekunde innerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs und des aufgefangenen Raumwinkels betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung mittels einer kohärenten Strahlungsquelle erzeugt werden.
Die Brillanz einer kohärenten Strahlungsquelle kann größer sein als 1-107 Photonen pro Sekunde innerhalb des genutzten Wellenlängenbereichs. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlungsquelle eine Plasmaquelle sein, welche beispielsweise ein Edelgasplasma oder ein Metall dampfplasma verwendet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung mit einer Synchrotronstrahlungsquelle oder einem Freie-Elektronen- Laser erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zumindest eine Teilfläche des Substrates mit einer Dosis von etwa 1 J/cm2 bis etwa 20 J/cm2 oder von etwa 5 J/cm2 bis etwa 15 J/cm2 oder von etwa 8 J/cm2 bis etwa 12 J/cm2 der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt werden. Diese Strahlungsdichte reicht aus, um eine hinreichende Dichte an Farbzentren zu erzeugen und andererseits eine übermäßige Schädigung des Kristallgitters des Substrates zu verhindern.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilfläche des Substrates eine Fläche von etwa 10 nm2 bis etwa 100 nm2 aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilfläche des Substrates eine Fläche von etwa 4 nm2 bis etwa 200 nm2 aufweisen. Hierdurch können die Farbzentren in einem lateral begrenzten Bereich des Substrates erzeugt werden. Hierdurch lassen sich auch eng benachbarte Farbzentren erzeugen, sodass eine Spin-Spin-Kopplung zwischen benachbarten Farb zentren möglich ist oder ein Magnetometer mit hoher räumlicher Auflösung hergestellt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwei der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilflächen des Substrates einen Abstand von etwa 4 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 50 nm zueinander aufweisen. Dies erlaubt eine Spin-Spin-Kopplung zwischen benachbarten Farb- zentren, sodass sich diese in einem verschränkten Zustand befinden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf dem Substrat ein Interferenzmuster erzeugt oder eine Maske mittels einer refraktiven oder reflektiven Optik abgebildet werden. Hierdurch können mehrere Teilflächen mit definiertem Abstand zueinander der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden, sodass eine vorbestimmbare örtliche Verteilung innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene der so entstehenden Farbzentren im Substrat erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff in Form von zumindest einer oberflächenparallelen Dotierschicht in das Substrat eingebracht sein, wobei an die Dotierschicht nominell undotiertes kristallines Material angrenzt. Dieses Merkmal erlaubt eine dreidimensionale Kontrolle des bzw. der Orte der entstehenden Farbzentren, da durch die Auswahl der jeweils bestrahlten Teilfläche des Substrates der Ort innerhalb der Substratebene definiert wird und durch die Lage der Dotierschicht die Tiefe innerhalb des Substrates.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dotier schicht eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 5 nm aufweisen. Eine niedrigere Dicke der Dotierschicht erlaubt dabei eine bessere räumliche Lokalisierung der Farbzentren entlang der Normalenrichtung des Substrates. Darüber hinaus können die Farbzentren verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine verlängerte Kohärenzzeit, aufweisen, wenn diese an nominell undotiertes bzw. intrinsisches Material im Substrat angrenzen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff im Substrat bzw. in einer oberflächenparallelen Dotierschicht in einer Konzentration von etwa 50 ppm bis etwa 5000 ppm oder von etwa 50 ppm bis etwa 500 ppm oder von etwa 80 ppm bis etwa 400 ppm oder von etwa 400 ppm bis etwa 1000 ppm vorhanden sein. In diesem Wertebereich werden einerseits Farbzentren mit hoher Effizienz hergestellt. Andererseits werden die so entstandenen Farbzentren nicht durch den Dotierstoff negativ beeinflusst, insbesondere bleibt die Kohärenzzeit in einem technisch nutzbaren Bereich .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat in einem PVD- oder CVD-Verfahren hergestellt werden. Hier durch kann der Dotierstoff in besonders einfacher Weise in der gewünschten Konzentration eingebracht werden. Darüber hinaus können dotierte Schichten in intrinsisches Material eingebettet werden oder innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene nur einzelne Flächenbereiche mit einem Dotierstoff versehen werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat in einem PVD- oder CVD-Verfahren überwachsen werden, wobei eine Dotier schicht eingebracht werden kann. Nach einer Bestrahlung zur Erzeugung von Farbzentren kann das Substrat erneut in einem PVD- oder CVD-Verfahren überwachsen werden, wobei eine weitere Dotierschicht eingebracht werden kann, welche danach wiederum zur Erzeugung von Farbzentren bestrahlt wird. Hier- duch können Farbzentren in einem dreidimensionalen Gitter bzw. Raster im Substrat erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Oberfläche des Substrates vor der Bestrahlung von zumindest einer Teilfläche poliert werden. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann die Politur dazu führen, dass zumindest eine Oberfläche des Substrates eine Rauheit von weniger als etwa 2 nm oder weniger als etwa 1 nm auf- weist. Hierdurch kann die Erzeugung der Farbzentren mit höherer Genauigkeit erfolgen und/oder die Farbzentren können verbesserte Eigenschaften aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Oberfläche des Substrates eine Oberflächenterminierung aufweisen, welche die Elektronegativität gegenüber der freien Oberfläche erhöht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann hierzu eine Oberflächenterminierung mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Fluor erfolgen.
Unter einer Oberflächenterminierung werden für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung Fremdatome verstanden, welche an die freien Bindungen der Atome an der Oberfläche des Kristallgitters des Substrates gebunden sind. Die Oberflächenterminierung kann eine verbesserte Erzeugung und/oder Ladungsstabilisierung der Farbzentren ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat nach der Bestrahlung bei einer Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1000°C oder von etwa 800°C bis etwa 1000°C getempert werden, um das Ausheilen von Defekten zu ermöglichen und/oder die durch die Bestrahlung erzeugten Vakanzen an einen zum Dotierstoff benachbarten Gitterplatz zu transportieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat bereits während der Bestrahlung auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1000°C oder von etwa 800°C bis etwa 1000°C erwärmt werden. Hierdurch kann die Anzahl der erzeugten Farbzentren erhöht oder die Anzahl der verbleibenden Gitterschäden reduziert sein und/oder die erforderliche Bearbeitungszeit für einen zusätzlichen Verfahrensschritt eingespart werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung eines NV-Zentrums in Diamant .
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat im Schnitt.
Figur 3 zeigt die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung gegen die Wellenlänge für drei verschiedene Substratmaterialien .
Figur 4 zeigt Photolumineszenzaufnahmen vor und nach der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung.
Figur 5 zeigt das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge eines Substrates vor der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung .
Figur 6 zeigt das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge für ein Substrat nach der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung .
Figur 7 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines Farbzentrums in einem Substrat .
Figur 8 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Farbzentrums in einem Substrat .
Figur 9 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Farbzentrums in einem Substrat .
Anhand der Figur 1 wird die Struktur eines NV-Zentrums als Beispiel eines erfindungsgemäßen Farbzentrums erläutert. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Kristallgitter von Diamant. Die Diamantstruktur ist durch ein FFC-Gitter mit zweiatomiger Basis charakterisiert. Das ungestörte, einkristalline Diamantgitter besteht ausschließlich aus sp3- hybridisiertem Kohlenstoff. Ein NV-Zentrum wird durch ein Stickstoffatom N gebildet, welches einen Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms einnimmt. Benachbart zum Stickstoffatom befindet sich eine Leerstelle bzw. Vakanz V. Die nächsten Nachbarn der Leerstelle sind somit drei Kohlenstoffatome C und ein Stickstoffatom N. Die Störung des Kristallgitters durch eine Leerstelle und ein benachbartes Stickstoffatom N gibt dem NV-Zentrum seinen Namen.
Der Vakanz V sind somit fünf Elektronen zugeordnet, nämlich drei Bindungselektronen der benachbarten Kohlenstoffatome sowie zwei Elektronen des Stickstoffatoms. Darüber hinaus kann das NV-Zentrum negativ geladen sein, sodass dem NV- Zentrum sechs Elektronen zugeordnet sind.
Die zwei ungebundenen Elektronen des negativ geladenen NV- Zentrums bilden einen Triplett-Zustand. Dieser besteht aus einem Spin-Singulet mit ms = 0 und einem Dublett mit ms = +1. Die Dublett-Zustände ms = +1 sind energetisch entartet, d. h. beide Zustände weisen dieselbe Energie auf. Spin-Singulett und Spin-Dublett sind energetisch getrennt. Die Separation beträgt 12 peV.
In gleicher Weise wie in Figur 1 beispielhaft für ersten NV- Zentrum in Diamant gezeigt, können erfindungsgemäß auch andere Farbzentren in Form von vakanzbasierten Quanten systemen erzeugt werden, beispielsweise ein SiV-Zentrum, ein GeV-Zentrum, ein ZnV-Zentrum oder ein PbV-Zentrum. Sofern das Substrat keinen Diamant enthält oder daraus besteht, sondern beispielsweise SiC, kann das Farbzentrum ebenfalls ein NV-Zentrum oder ein Bi-Vakanz-Zentrum sein. Sofern das Substrat ZnO enthält oder daraus besteht, kann das Farb zentrum ein ZnV-Zentrum sein, wobei V jeweils für die Vakanz steht. Das optisch adressierbare Farbzentrum kann in einigen Aus führungsformen der Erfindung als Magnetometer verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das optisch adressierbare Farbzentrum bzw. eine Mehrzahl benachbarter Farbzentren Teil eines QuBits sein, wobei eine Mehrzahl von QuBits zu einem Quantenregister zusammengefasst sein kann. Ein solches Quantenregister kann dazu einge richtet sein, bei Raumtemperatur oder bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs zu arbeiten.
Anhand der Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel eines Substrates 1 im Schnitt dargestellt. Das Substrat 1 enthält ein kristallines Material, beispielsweise Diamant, Silizium- carbid, Zinkoxid oder Bornitrid. Das Substrat kann homoepi- taktisch oder heteroepitaktisch mittels aktivierter Gas phasenabscheidung erzeugt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat monokristallin sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat polykristallin sein. Dabei eignen sich heteroepitaktisch erzeugte, polykristalline Substrate insbesondere zur Herstellung großflächiger Substrate für den Massenmarkt. Heteroepitaktisch erzeugte, monokristalline Substrate können optisch adressierbare Farbzentren mit besonders hoher Qualität bereitstellen.
Figur 2 zeigt weiter, dass das Substrat 1 eine erste Seite 11 und eine gegenüberliegende zweite Seite 12 aufweist. Die erste Seite 11 kann in einigen Ausführungsformen poliert sein, sodass diese eine RMS-Rauheit von weniger als etwa 2 nm oder weniger als etwa 1 nm aufweist. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann die erste Seite 11 eine Oberflächenterminierung aufweisen, welche die Elektronegati vität gegenüber der freien Oberfläche erhöht. Sofern das Substrat 1 Diamant enthält oder daraus besteht, kann die Oberflächenterminierung Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Fluor enthalten oder daraus bestehen. Figur 2 zeigt weiter, dass das Substrat 1 eine Dotierschicht 15 enthält. Innerhalb der Dotierschicht 15 ist ein Dotier stoff in einer Konzentration von etwa 50 ppm bis etwa 5000 ppm oder von etwa 50 ppm bis etwa 500 ppm oder von etwa 80 ppm bis etwa 400 ppm oder von etwa 400 ppm bis etwa 1000 ppm eingebracht. Die Dotierschicht kann entlang des Normalen vektors des Substrates 1 eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 10 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 5 nm aufweisen. Die Dotierschicht kann beispiels weise Stickstoff enthalten, sofern das Substrat 1 Diamant enthält oder daraus besteht. An die Dotierschicht 15 angren zend befindet sich nominell undotiertes kristallines Material. Die Dotierschicht 15 kann in einer Tiefe von etwa 4 mpibis etwa 10 mpiausgehend von der ersten Seite 11 des Substrates 1 im Substrat vorhanden sein. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann das Substrat 1 eine Mehr zahl von Dotierschichten 15 enthalten, welche zueinander jeweils einen Abstand von etwa 5 mpibis etwa 10 mpiauf- weisen. Hierdurch können optisch adressierbare Farbzentren, beispielsweise NV-Zentren, in einem dreidimensionalen Gitter innerhalb des Substrates 1 angeordnet werden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Substrat 1 ausgehend von der ersten Seite 11 mit elektromagnetischer Strahlung zu bestrahlen, welche eine Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm aufweist. In einigen Ausführungs formen der Erfindung kann die Vakuumwellenlänge im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 9 nm bis etwa 15 nm oder von etwa 4 nm bis etwa 6 nm gewählt sein. Die elek tromagnetische Strahlung hat die Wirkung, dass im Kristallgitter des Substrates 1 Vakanzen erzeugt werden, welche zusammen mit dem Dotierstoff das gewünschte Farb- zentrum bilden, im dargestellten Ausführungsbeispiel NV- Zentren in Diamant. Sofern das Substrat 1 nicht vollflächig bestrahlt wird, sondern lediglich eine oder mehrere Teil flächen des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt werden, entstehen die NV-Zentren auch nur in den bestrahlten Teilzentren, sodass diese an genau definierten Orten innerhalb der durch das Substrat 1 definierten Ebene lokalisiert sind. Hierdurch ist es beispielsweise auch möglich, Gruppen von eng benachbarten NV-Zentren zu erzeugen, welche von benachbarten Gruppen von NV-Zentren einen größeren Abstand einnehmen. Zwei eng benachbarte NV-Zentren können beispielsweise einen Abstand von etwa 4 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 50 nm aufweisen, sodass zwischen diesen benachbarten NV-Zentren eine Spin-Spin-Kopplung auftritt.
Anhand der Figur 3 wird die Eindringtiefe in Nanometern auf der Ordinate gegen die Wellenlänge in Nanometern für verschiedene Substratmaterialien dargestellt, nämlich Diamant, Siliziumcarbid und Zinkoxid. Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass eine optimale Eindringtiefe von etwa 10 nm bis etwa 10 mpi im Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,9 nm und etwa 18 nm gegeben ist. Somit können oberflächennahe, optisch gut adressierbare und auslesbare Farbzentren im Substrat 1 erzeugt werden.
Anhand der Figuren 4 bis 6 wird die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung nochmals erläutert. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus der ersten Seite 11 eines Substrates 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Substrat Diamant, welcher mit Stickstoff dotiert ist. Die Dotier konzentration beträgt zwischen etwa 50 ppm und etwa 300 ppm. Eine etwa kreisrunde Teilfläche des Substrates 1 wurde mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von etwa 4,9 nm bestrahlt. Die applizierte Dosis beträgt 10 J/cm2 .
Figur 4 zeigt das Photolumineszenzsignal vor der Bestrahlung im linken Bildteil und nach der Bestrahlung im rechten Bildteil. Wie Figur 4 zeigt, nimmt die Photolumineszenz in der bestrahlten Teilfläche deutlich zu. Dies ist in Figur 5 und Figur 6 nochmals näher erläutert. Dargestellt ist jeweils das Fluoreszenzsignal in willkürlichen Einheiten gegen die Wellenlänge in Nanometern. Sowohl in Figur 5 als auch in Figur 6 ist die Zero-Photon-Line des NV-Zentrums mit einem Pfeil markiert. Dargestellt ist das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge jeweils für eine Teilfläche außerhalb des bestrahlten Bereiches in Kurve A und innerhalb des bestrahlten Bereiches in Kurve B. Wie Figur 5 zeigt, verhält sich das Substrat innerhalb der für die Bestrahlung vorgesehenen Teilfläche und außerhalb der für die Bestrahlung vorgesehenen Teilfläche identisch. Es besteht kein wesentlicher Unterschied in den Fluoreszenzsignalen.
Die Zero-Photon-Line des NV-Zentrums ist nur gering ausgeprägt .
Nach der Bestrahlung der etwa kreisförmigen Teilfläche, wie in Figur 4 ersichtlich, ist das Fluoreszenzsignal gemäß Kurve A außerhalb der bestrahlten Teilfläche im Wesentlichen unverändert. Kurve B, welche innerhalb der bestrahlten Teil fläche aufgenommen wurde, zeigt hingegen einen deutlichen Anstieg des Fluoreszenzsignals. Insbesondere tritt die Zero- Photon-Line des NV-Zentrums deutlich hervor. Damit zeigen die Figuren 4 bis 6, dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm durch nicht-lineare optische Effekte Vakanzen erzeugt werden, welche bei erhöhter Temperatur im Kristallgitter des Substrates 1 mobil sind und nach Anlagerung an ein Stick stoffatom ein NV-Zentrum bilden. Sofern nur einzelne, eng begrenzte Teilflächen des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt werden, entstehen auch die Farb- zentren nur in diesen Bereichen. Hierdurch können einzelne Farbzentren oder auch Gruppen eng benachbarter Farbzentren im Substrat 1 erzeugt werden. Hierfür können in einigen Ausführungen die anhand der Figuren 7, 8 und 9 näher beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtungen enthalten jeweils eine Lichtquelle 2, welche elektromagnetische Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm aussendet. Die Vakuumwellenlänge der elektromagne tischen Strahlung kann beispielsweise 4,9 nm + 4 % oder 13,5 nm + 2 % betragen. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine Plasmaquelle sein, welche aus einem Zink- oder Argonplasma elektromagnetische Strahlung im genannten Wellenlängenbereich erzeugt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Lichtquelle 2 eine kohärente Lichtquelle sein, beispielsweise Synchrotronstrahlung oder ein Freie-Elektronen-Laser.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 wird das Licht der Lichtquelle 2 durch eine fokussierende Optik 3 auf einen Fokuspunkt 20 auf dem Substrat 1 fokussiert. Die fokussierende Optik 3 kann beispielsweise eine diffraktive oder reflektive Optik sein. Der Fokuspunkt 20 kann durch relative Bewegung des Substrates 1 und der Optik 3 auf eine vorgebbare Teilfläche des Substrates 1 gelenkt werden, sodass der Ort der Entstehung der Farbzentren mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden kann.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 8 zeigt ebenfalls eine Lichtquelle 2. Die von dort ausgehende Strahlung wird über eine diffraktive oder reflektive Optik 3 auf eine Maske 4 gelenkt. Das Bild der Maske 4 wird sodann mittels einer Abbildungsoptik 5 auf die Oberfläche des Substrates 1 abgebildet. Die Maske 4 kann beispielsweise eine Lochmaske oder eine Streifenmaske sein. Dementsprechend entsteht auf dem Substrat 1 ein Punkt- oder Streifenmuster 25, wobei die Intensität in den Minima weniger als etwa 75 % oder weniger als etwa 60 % der Intensität der Maxima beträgt. Da die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Farbzentrums nichtlinear mit der Intensität der elektromagnetischen Strahlung ansteigt, reicht dieser Kontrast des Punkt- oder Streifenmusters 25 aus, um an den Orten der Maxima Farbzentren im Substrat 1 zu erzeugen und die Erzeugung von Farbzentren an den Minima zu unterdrücken. Somit ist die in Figur 8 gezeigte Vorrichtung dazu geeignet, mit nur einer einzigen Belichtung eine Viel zahl von Farbzentren und/oder Paaren von Farbzentren an definierten Orten innerhalb des Substrates 1 zu erzeugen.
Anhand der Figur 9 wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Gleiche Bestand teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unter schiede beschränkt. Auch die dritte Ausführungsform gemäß Figur 9 enthält eine Lichtquelle 2, deren Strahlung durch eine diffraktive oder reflektive Optik 3 auf das Substrat 1 gelenkt wird. Weiterhin befindet sich im Strahlengang eine absorbierende Maske 4 oder ein Beugungsgitter. Im ersten Fall wird elektromagnetische Strahlung von der Maske 4 absorbiert, sodass sich auf der Oberfläche 1 wiederum ein Punkt- oder Streifenmuster 25 ausbildet. Im anderen Aus führungsbeispiel bildet sich das Punkt- oder Streifenmuster 25 als Interferenzmuster auf dem Substrat 1.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums (NV) in einem Substrat (1) mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Substrates (1), welches ein kristallines Material und weiterhin zumindest einen Dotierstoff (15) enthält oder daraus besteht,
Bestrahlen von zumindest einer Teilfläche des Substrates (1) mit elektromagnetischer Strahlung (20, 25) zur Erzeugung zumindest einer Vakanz, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (20, 25) eine Vakuumwellenlänge von weniger als 20 nm aufweist, wobei die zumindest eine Teilfläche des Substrates (1) mit einer Dosis von etwa 1 J-cnr2 bis etwa 20 J-cnr2 der elek tromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff (15) ausgewählt ist aus Stickstoff und/oder Silicium und/oder Germanium und/oder Zink und/oder Blei.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass das kristalline Material ausgewählt ist aus Diamant oder Siliciumcarbid oder Zinkoxid oder Bornitrid
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (20, 25) eine Vakuumwellenlänge von etwa 2 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 9 nm bis etwa 15 nm oder von etwa 13,2 nm bis etwa 13,8 nm oder von etwa 4 nm bis etwa 6 nm oder von etwa 4,7 nm bis etwa 5,1 nm aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die zumindest eine Teilfläche des Substrates (1) mit einer Dosis von etwa 5 J-cnr2 bis etwa 15 J-cnr2 oder von etwa 8 J-cnr2 bis etwa 12 J-cnr2 der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die der elektromagnetischen Strahlung (20, 25) ausgesetzte Teilfläche des Substrates (1) eine Fläche von etwa 4 nm2 bis etwa 200 nm2 oder von etwa
10 nm2 bis etwa 100 nm2 aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass zwei der elektromagnetischen Strahlung (20, 25) ausgesetzte Teilflächen des Substrates (1) einen Abstand von etwa 4 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 50 nm zueinander aufweisen
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) ein Interferenzmuster (25) erzeugt wird
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) mittels einer reflektiven oder diffraktiven Optik (3, 5) eine Maske (4) abgebildet wird.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der Dotierstoff in Form von zumindest einer oberflächenparallelen Dotierschicht (15) in das Substrat (1) eingebracht ist, wobei an die Dotierschicht (15) nominell undotiertes kristallines Material angrenzt.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierschicht (15) eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 10 nm oder von etwa
1 nm bis etwa 5 nm aufweist.
12.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Dotierstoff in einer Konzentration von etwa 50 ppm bis etwa 5000 ppm oder von etwa 50 ppm bis etwa 500 ppm oder von etwa 80 ppm bis etwa 400 ppm oder von etwa 400 ppm bis etwa 1000 ppm im Substrat oder in der Dotierschicht (15) vorhanden ist.
13.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass das Substrat (1) in einem PVD- oder CVD-Verfahren hergestellt wird
14.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche (11) des Substrates (1) vor der Bestrahlung von zumindest einer Teilfläche poliert wird
15.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche (11) des Substrates (1) eine Rauheit von weniger als etwa 2 nm oder von weniger als etwa 1 nm aufweist
16.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, dass das Substrat (1) an einer Oberfläche (11) eine Oberflächenterminierung aufweist, welche die Elektronegativität gegenüber der freien Oberfläche erhöht
17.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche (11) des Substrates (1) eine Oberflächenterminierung mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Fluor aufweist.
18.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, dass das Substrat (1) nach und/oder während der Bestrahlung auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1000°C oder von etwa 800°C bis etwa 1000°C erwärmt wird .
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