RU2804497C2 - Fluorescent diamond and method for its production - Google Patents

Fluorescent diamond and method for its production Download PDF

Info

Publication number
RU2804497C2
RU2804497C2 RU2021114749A RU2021114749A RU2804497C2 RU 2804497 C2 RU2804497 C2 RU 2804497C2 RU 2021114749 A RU2021114749 A RU 2021114749A RU 2021114749 A RU2021114749 A RU 2021114749A RU 2804497 C2 RU2804497 C2 RU 2804497C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diamond
metalloid
center
fluorescent
metal
Prior art date
Application number
RU2021114749A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021114749A (en
Inventor
Мотои НАКАО
Синдзи НАГАМАТИ
Масахиро Нисикава
Мин Лю
Original Assignee
Дайсел Корпорэйшн
Кюсю Инститьют Оф Текнолоджи
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 Дайсел Корпорэйшн, Кюсю Инститьют Оф Текнолоджи filed Critical Дайсел Корпорэйшн
Publication of RU2021114749A publication Critical patent/RU2021114749A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2804497C2 publication Critical patent/RU2804497C2/en

Links

Abstract

FIELD: production of fluorescent diamonds.
SUBSTANCE: invention is related to a method for producing fluorescent diamond containing an MV centre in a concentration of 1×1014/cm3 or higher, where M is selected from a metal or metalloid such as Si, Ge, Sn, Pb, Ni or Co, and V represents a vacancy. The first stage involves the synthesis of diamond by chemical vapor deposition (CVD) or detonation, for example an inward explosion, introducing from 0.0001 to 1 at% of the specified metal or metalloid and additionally ensuring the presence of a metal or metalloid other than M, for example Fe, Co or Ni. In the second stage, the resulting diamond containing M is irradiated with a high-energy beam, for example a beam of He or H ions, or an electron beam to form the V vacancy. After this, the diamond is annealed to form a fluorescent MV centre.
EFFECT: resulting fluorescent diamond is characterized by high luminous efficiency and low background fluorescence due to the specified concentration of MV centres and M content, as well as due to the V to M ratio from 0.1 to 10,000; concentration of nitrogen-vacancy centres (NV-centers) 1×1017/cm3 or lower and vacancy densities from 1×1016 to 3×1021/cm3.
12 cl, 14 dwg, 3 ex

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

[0001] Настоящее изобретение относится к флуоресцентному алмазу и способу его получения.[0001] The present invention relates to fluorescent diamond and a method for its production.

[0002] В настоящем описании используются следующие сокращения.[0002] The following abbreviations are used throughout the present description.

MV-центр: центр металл-вакансияMV-center: metal-vacancy center

NV-центр: центр азот-вакансияNV-center: nitrogen-vacancy center

SiV-центр: центр кремний-вакансияSiV center: silicon vacancy center

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] Люминесцентный центр в алмазе представляет собой наноразмерный химически стабильный флуоресцентный хромофор и не проявляет деградации, выцветания или мерцания in vivo, которые часто происходят в флуоресценции органики, и поэтому ожидается их использование в качестве зондов для флуоресцентной визуализации. Кроме того, информация о спинах электронов, возбужденных в люминесцентном центре, иногда может быть измерена извне, и поэтому ожидается также применение люминесцентного центра в оптически детектируемом магнитном резонансе (ODMR) или в качестве квантового бита.[0003] The luminescent center in diamond is a nano-sized chemically stable fluorescent chromophore and does not exhibit in vivo degradation, fading or flickering that often occurs in organic fluorescence, and is therefore expected to be used as fluorescence imaging probes. In addition, information about the spins of electrons excited in the luminescent center can sometimes be measured externally, and therefore the application of the luminescent center in optically detected magnetic resonance (ODMR) or as a quantum bit is also expected.

[0004] Доступным сейчас люминесцентным центром является центр азот-вакансия (NV), который состоит из атома N в качестве примеси, присутствующей в узле кристаллической решетки в алмазе, и вакансии, занимающей соседний с атомом N узел кристаллической решетки. Существует два типа NV-центров: NV0, который электрически нейтрален, и NV-, в котором в вакансионном узле захвачен один электрон. Только центр NV- может использоваться в применениях ODMR или квантового бита, в то время как в качестве зондов для флуоресцентной визуализации могут быть использованы оба.[0004] The currently available luminescent center is a nitrogen-vacancy (NV) center, which consists of a N atom as an impurity present at a lattice site in diamond and a vacancy occupying a lattice site adjacent to the N atom. There are two types of NV centers: NV 0 , which is electrically neutral, and NV - , in which one electron is captured at a vacancy site. NV center only - can be used in ODMR or quantum bit applications, while both can be used as fluorescence imaging probes.

[0005] Сам по себе NV-центр редко присутствует в природных алмазах и образуется при облучении искусственного алмаза, полученного методом высокой температуры и высокого давления или методом плазмохимического осаждения из паровой фазы (CVD), электронным пучком или ионным пучком для введения вакансий и подвергании надлежащей обработке отжигом. Как сообщалось, такой процесс способен образовывать NV-центры вплоть до концентрации 1×1018/см3. Большая часть N, присутствующего в природных алмазах, находится в виде молекул или микропузырьков, а значит, даже если природный алмаз подвергнуть аналогичной обработке, образовалось бы много люминесцентных центров, называемых H3-центрами, а не NV-центры. В искусственном алмазе N содержится в атомарной форме и внедрен в узел решетки. Азот часто также добавляют в сырье, чтобы позволить азоту действовать в качестве катализатора во время образования алмазов. Таким образом, определенное количество (например, от 10 ppm до 100 ppm) N первоначально содержится и присутствует в узлах решетки во время образования искусственного алмаза. Поэтому для формирования NV-центров вводят вакансии и проводят обработку отжигом, чтобы вакансии и N могли встретиться и связаться вместе.[0005] The NV center itself is rarely present in natural diamonds and is formed when artificial diamond produced by high temperature and high pressure or plasma chemical vapor deposition (CVD) is irradiated with an electron beam or ion beam to introduce vacancies and subjected to proper annealing treatment. As reported, such a process is capable of forming NV centers up to a concentration of 1×10 18 /cm 3 . Most of the N present in natural diamonds is in the form of molecules or microbubbles, which means that even if natural diamond were subjected to a similar treatment, it would form many luminescent centers, called H3 centers, rather than NV centers. In artificial diamond, N is contained in atomic form and embedded in a lattice site. Nitrogen is also often added to the raw material to allow the nitrogen to act as a catalyst during diamond formation. Thus, a certain amount (eg, 10 ppm to 100 ppm) of N is initially contained and present at the lattice sites during the formation of the artificial diamond. Therefore, to form NV centers, vacancies are introduced and annealing treatment is carried out so that the vacancies and N can meet and bond together.

[0006] Как показано на фиг. 1, спектр длин волн флуоресцентной люминесценции состоит из острого пика, называемого бесфононной линией (БФЛ), и широкого пика, называемого боковой полосой. Только БФЛ может быть использована в применениях ODMR или квантового бита, и, значит, лишь приблизительно 4% люминесценции может быть эффективно использовано. Когда NV-центр применяется в качестве зонда для флуоресцентной визуализации, может использоваться все излучение; однако в этом случае измерению в качестве шума мешает автофлуоресценция (флуоресценция, испускаемая самой биологической тканью или жидкостью организма), поэтому широкое распределение длин волн ухудшает соотношение сигнал-шум (S/N) и приводит к сниженной чувствительности.[0006] As shown in FIG. 1, the fluorescence luminescence wavelength spectrum consists of a sharp peak called zero-phonon line (ZPL) and a broad peak called side band. Only ZPL can be used in ODMR or quantum bit applications, and therefore only approximately 4% of the luminescence can be effectively used. When the NV center is used as a fluorescence imaging probe, all radiation can be used; However, in this case, autofluorescence (fluorescence emitted by the biological tissue or body fluid itself) interferes with the measurement as noise, so a wide distribution of wavelengths degrades the signal-to-noise (S/N) ratio and leads to reduced sensitivity.

[0007] С другой стороны, также доступен люминесцентный центр, такой как обладающий спектром люминесценции, в котором большая часть люминесценции приходится на БФЛ. Такому люминесцентному центру соответствуют SiV-центр (непатентный документ 1) и GeV-центр (патентный документ 1). Пример спектра люминесценции SiV-центра показан на фиг.6. Примерно 70% люминесценции приходится на БФЛ, ширина пика мала, и поэтому шумовой эффект из-за автофлуоресценции невелик. В частности, SiV-центр имеет БФЛ на 738 нм, расположенную в так называемом биологическом окне (полосе длин волн, в которой свет возбуждения или флуоресценция проникает в живой организм). Это позволяет проводить внешнее возбуждение и внешнее измерение, а значит, SiV-центр является идеальным люминесцентным центром в качестве зонда для биовизуализации.[0007] On the other hand, a luminescent center such as one having a luminescence spectrum in which the majority of the luminescence is due to ZPL is also available. Such a luminescent center corresponds to a SiV center (non-patent document 1) and a GeV center (patent document 1). An example of the luminescence spectrum of a SiV center is shown in Fig. 6. Approximately 70% of the luminescence is due to ZPL, the peak width is small, and therefore the noise effect due to autofluorescence is small. In particular, the SiV center has a ZPL at 738 nm, located in the so-called biological window (the wavelength band in which excitation light or fluorescence enters a living organism). This allows external excitation and external measurement, making the SiV center an ideal luminescent center as a bioimaging probe.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBIBLIOGRAPHY

ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТPATENT DOCUMENT

[0008] Патентный документ 1: JP 2016-117852 A[0008] Patent Document 1: JP 2016-117852 A

НЕПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРАNON-PATENT LITERATURE

[0009] Непатентная литература 1: E. Neu et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 243107 (2011)[0009] Non-Patent Literature 1: E. Neu et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 243107 (2011)

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМАTECHNICAL PROBLEM

[0010] Как описано выше, способы получения NV-центров были в некоторой степени разработаны, и NV-центры могут быть получены в высоких концентрациях. Однако методы получения высоких концентраций других люминесцентных центров, особенно SiV-центров, ожидаемые из-за полезности, все еще разрабатываются методом проб и ошибок.[0010] As described above, methods for producing NV centers have been developed to some extent, and NV centers can be produced in high concentrations. However, methods for producing high concentrations of other luminescent centers, especially SiV centers, expected for utility, are still being developed through trial and error.

[0011] В полученном при высокой температуре и высоком давлении алмазе или полученном плазменным CVD алмазе, который используется в качестве сырья для получения NV-центров, при введении Si ионной имплантацией образуется мало SiV-центров или они вообще не образуются. Сообщавшиеся способы получения SiV-центров включают пример, в котором алмазная пленка была образована на Si-ой подложке методом CVD с горячей нитью или плазменного CVD, а в полученном в результате поликристаллическом алмазе были образованы SiV-центры; и другой пример, в котором Si вводили путем ионной имплантации в природный алмаз высокой чистоты (тип IIa) или искусственный алмаз высокой чистоты (метод плазменного CVD) и подвергали алмаз обработке отжигом. Однако сообщалось, что концентрации люминесцентных SiV-центров, образованных обоими методами, были весьма низкими, да и эффективности люминесценции были низкими. Облучение тяжелыми ионами, такими как ионы Si, как в последнем примере, дает вакансии, сконцентрированные в высокой концентрации непосредственно вокруг той траектории, по которой проходят тяжелые ионы, и вокруг того положения, в котором тяжелые ионы в итоге останавливаются. Авторы настоящего изобретения предполагают, что это приведет к оставлению дефекта, образованию дислокации или тому подобному, и будет препятствовать образованию люминесцентных центров вблизи вакансий.[0011] In high-temperature-high-pressure diamond or plasma-CVD diamond, which is used as a raw material for producing NV centers, few or no SiV centers are formed when Si is introduced by ion implantation. Reported methods for producing SiV centers include an example in which a diamond film was formed on a Si substrate by hot filament CVD or plasma CVD, and SiV centers were formed in the resulting polycrystalline diamond; and another example in which Si was introduced by ion implantation into high purity natural diamond (Type IIa) or high purity artificial diamond (plasma CVD method) and subjected the diamond to annealing treatment. However, it was reported that the concentrations of luminescent SiV centers formed by both methods were quite low, and the luminescence efficiencies were also low. Irradiation with heavy ions, such as Si ions, as in the last example, produces vacancies concentrated in high concentration immediately around the path that the heavy ions take and around the position at which the heavy ions eventually stop. The present inventors believe that this will result in the abandonment of a defect, the formation of a dislocation or the like, and will prevent the formation of luminescent centers near the vacancies.

[0012] Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ получения MV-центра (люминесцентного центра), содержащего металл или металлоид М в высокой концентрации, эффективным методом и флуоресцентный алмаз с превосходной световой эффективностью.[0012] An object of the present invention is to provide a method for producing an MV center (luminescent center) containing a metal or metalloid M in a high concentration by an efficient method and a fluorescent diamond with excellent luminous efficiency.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫSOLUTION

[0013] Авторы настоящего изобретения разработали условия для получения оптимального люминесцентного центра в качестве метода получения MV-центра (М представляет собой металл или металлоид), излучающего флуоресценцию. Такой метод включает в себя: первый этап образования алмаза, содержащего соответствующую концентрацию целевой примеси M; и второй этап, включающий ионную имплантацию или облучение высокоэнергетичным пучком, такое как облучение электронным пучком, и отжиг, на котором ионная имплантация или облучение высокоэнергетичным пучком не предназначены для введения примеси, а предназначены только для введения равномерной и соответствующей определенной концентрации вакансий. Такой двухэтапный процесс оказался способен обеспечить высокую концентрацию люминесцентного центра.[0013] The inventors of the present invention have developed conditions for obtaining an optimal luminescent center as a method for obtaining an MV center (M is a metal or a metalloid) emitting fluorescence. This method includes: the first stage of the formation of a diamond containing the appropriate concentration of the target impurity M; and a second step including ion implantation or high energy beam irradiation, such as electron beam irradiation, and annealing, in which the ion implantation or high energy beam irradiation is not intended to introduce an impurity, but is intended only to introduce a uniform and corresponding to a certain concentration of vacancies. This two-step process was able to provide a high concentration of the luminescent center.

[0014] Настоящее изобретение предлагает нижеприведенные флуоресцентный алмаз и способ его получения.[0014] The present invention provides the following fluorescent diamond and a method for producing the same.

(1) Флуоресцентный алмаз, содержащий MV-центр в концентрации 1×1014/см3 или выше, причем M представляет собой металл или металлоид, а V представляет собой вакансию.(1) A fluorescent diamond containing an MV center at a concentration of 1×10 14 /cm 3 or higher, where M represents a metal or metalloid and V represents a vacancy.

(2) Флуоресцентный алмаз по пункту (1), удовлетворяющий по меньшей мере одному из (i), (ii) или (iii):(2) A fluorescent diamond according to paragraph (1), satisfying at least one of (i), (ii) or (iii):

(i) имеет отношение числа вводимых вакансий к числу атомов металла или металлоида от 0,1 до 10000 (число V /число М),(i) has a ratio of the number of introduced vacancies to the number of metal or metalloid atoms from 0.1 to 10000 (V number/M number),

(ii) содержит от 0,0001 до 1 атомного % металла или металлоида (М), или(ii) contains from 0.0001 to 1 atomic % of a metal or metalloid (M), or

(iii) имеет концентрацию NV-центров 1×1017/см3 или ниже.(iii) has a concentration of NV centers of 1×10 17 /cm 3 or lower.

(3) Флуоресцентный алмаз по пункту (1) или (2), в котором элементом-металлом или металлоидом является Si, Ge или Sn.(3) The fluorescent diamond according to item (1) or (2), in which the metal element or metalloid is Si, Ge or Sn.

(4) Флуоресцентный алмаз по пункту (1) или (2), в котором элементом-металлоидом является Si.(4) The fluorescent diamond according to (1) or (2), in which the metalloid element is Si.

(5) Флуоресцентный алмаз по любому из пунктов (1)-(4), содержащий элемент-металл или металлоид, отличный от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр.(5) The fluorescent diamond according to any one of (1) to (4), containing a metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center.

(6) Флуоресцентный алмаз по пункту (5), в котором элементом-металлом или металлоидом, отличным от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, является Fe, Co или Ni.(6) The fluorescent diamond according to item (5), wherein the metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is Fe, Co or Ni.

(7) Способ получения флуоресцентного алмаза, описанного в пунктах (1)-(6), включающий первый этап и второй этап:(7) The method for producing fluorescent diamond described in paragraphs (1) to (6), including the first step and the second step:

первый этап: введение надлежащей концентрацией металла или металлоида (М) в процессе синтеза так, чтобы получить алмаз, содержащий металл или металлоид (М); иfirst step: introducing the proper concentration of metal or metalloid (M) into the synthesis process so as to obtain a diamond containing metal or metalloid (M); And

второй этап: облучение алмаза, содержащего металл или металлоид (М), высокоэнергетичным пучком для образования вакансии и последующий отжиг алмаза так, чтобы образовался MV-центр, испускающий флуоресценцию.second stage: irradiation of a diamond containing a metal or metalloid (M) with a high-energy beam to form a vacancy and subsequent annealing of the diamond so that an MV center is formed, emitting fluorescence.

(8) Способ получения флуоресцентного алмаза по пункту (7), в котором высокоэнергетичным пучком является пучок ионов He или H, или электронный пучок.(8) The method for producing fluorescent diamond according to item (7), in which the high-energy beam is a He or H ion beam, or an electron beam.

(9) Способ получения флуоресцентного алмаза по пункту (7), в котором на первом этапе обеспечивают присутствие металла или металлоида, отличного от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр.(9) The method for producing fluorescent diamond according to item (7), wherein in the first step, the presence of a metal or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is ensured.

(10) Способ получения флуоресцентного алмаза по пункту (9), в котором металлом или металлоидом, отличным от элемента-металла или металлоида, составляющего MV- центр, является Fe, Co или Ni.(10) The method for producing fluorescent diamond according to item (9), wherein the metal or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is Fe, Co or Ni.

(11) Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пунктов (7)-(10), в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является способ химического осаждения из паровой фазы (способ CVD).(11) The method for producing fluorescent diamond according to any one of items (7) to (10), wherein the method for synthesizing the diamond in the first step is a chemical vapor deposition method (CVD method).

(12) Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пунктов (7)-(10), в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является детонационный способ.(12) The method for producing fluorescent diamond according to any one of items (7) to (10), in which the method for synthesizing diamond in the first stage is the detonation method.

(13) Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пунктов (7)-(10), в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является способ направленного внутрь взрыва.(13) The method for producing fluorescent diamond according to any one of items (7) to (10), wherein the method for synthesizing the diamond in the first step is the inward explosion method.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯUSEFUL EFFECTS OF THE INVENTION

[0015] Настоящее раскрытие может обеспечить флуоресцентный алмаз с высокой световой эффективностью.[0015] The present disclosure can provide a fluorescent diamond with high luminous efficiency.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0016] Фиг. 1 представляет собой пример спектра люминесценции NV-центра (длина волны возбуждения 488 нм).[0016] FIG. 1 is an example of the luminescence spectrum of an NV center (excitation wavelength 488 nm).

Фиг. 2 - концептуальная схема устройства CVD с горячей нитью.Fig. 2 is a conceptual diagram of a hot filament CVD device.

Фиг. 3 - оптическая микрофотография поверхности образца сразу после образования алмазной пленки в примере 1, показывающая область 100 мкм × 100 мкм.Fig. 3 is an optical micrograph of the sample surface immediately after the formation of the diamond film in Example 1, showing an area of 100 μm × 100 μm.

Фиг. 4 - спектр комбинационного рассеяния сразу после образования алмазной пленки в примере 1.Fig. 4 - Raman spectrum immediately after the formation of the diamond film in example 1.

Фиг. 5 - результат измерения фотолюминесценции (ФЛ) сразу после образования алмазной пленки в примере 1.Fig. 5 - the result of measuring photoluminescence (PL) immediately after the formation of the diamond film in example 1.

Фиг. 6 - результат измерения ФЛ после завершения облучения ионами и обработки отжигом алмазной пленки в примере 1.Fig. 6 - the result of PL measurement after completion of ion irradiation and annealing treatment of the diamond film in example 1.

Фиг. 7 - оптическая микрофотография поверхности образца (место осаждения Ni из паровой фазы) сразу после образования алмазной пленки в примере 2, показывающая область 100 мкм × 100 мкм.Fig. 7 is an optical micrograph of the sample surface (the site of Ni vapor deposition) immediately after the formation of the diamond film in Example 2, showing an area of 100 μm × 100 μm.

Фиг. 8 - спектр комбинационного рассеяния сразу после образования алмазной пленки в примере 2.Fig. 8 - Raman spectrum immediately after the formation of the diamond film in example 2.

Фиг. 9 - результат измерения ФЛ сразу после образования алмазной пленки в примере 2.Fig. 9 - the result of measuring PL immediately after the formation of a diamond film in example 2.

Фиг. 10 - результат измерения ФЛ после завершения облучения ионами и обработки отжигом алмазной пленки в примере 2, где вертикальная ось указывает 1/10 реальных величин, поскольку использовали нейтральный неселективный светофильтр.Fig. 10 is the result of PL measurement after completion of ion irradiation and annealing treatment of the diamond film in example 2, where the vertical axis indicates 1/10 of the real values, since a neutral non-selective filter was used.

Фиг. 11 - оптическая микрофотография поверхности образца (место осаждения Ni из паровой фазы) сразу после образования алмазной пленки в примере 3, показывающая область 100 мкм × 100 мкм.Fig. 11 is an optical micrograph of the sample surface (the site of Ni vapor deposition) immediately after the formation of the diamond film in Example 3, showing an area of 100 μm × 100 μm.

Фиг. 12 - спектр комбинационного рассеяния сразу после образования алмазной пленки в примере 3.Fig. 12 - Raman spectrum immediately after the formation of the diamond film in example 3.

Фиг. 13 - результат измерения ФЛ сразу после образования алмазной пленки в примере 3.Fig. 13 - the result of measuring PL immediately after the formation of a diamond film in example 3.

Фиг. 14 - результат измерения ФЛ после завершения облучения ионами и обработки отжигом алмазной пленки в примере 3.Fig. 14 - the result of PL measurement after completion of ion irradiation and annealing treatment of the diamond film in example 3.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDESCRIPTION OF IMPLEMENTATION OPTIONS

[0017] Широко известные методы определения в алмазе концентрации люминесцентных центров, таких как MV-центры, SiV-центры или NV-центры, включают метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), метод коэффициента экстинкции и метод прямой оценки интенсивности флуоресцентной люминесценции. Метод ЭПР представляет собой метод определения концентрации неспаренных электронов на уровне основного состояния люминесцентного центра, а метод коэффициента экстинкции предназначен для определения концентрации электронов, переходящих из основного состояния в возбужденное состояние люминесцентного центра. Любая из концентраций люминесцентных центров, определенных обоими методами, не соответствует интенсивности флуоресцентной люминесценции, и концентрация люминесцентных центров, соответствующая интенсивности флуоресцентной люминесценции, получается только после умножения любой из этих концентраций люминесцентных центров на квантовую эффективность флуоресценции (которая, как известно, широко варьируется от значения, бесконечно близкого к нулю, до значения, близкого к 1, в зависимости от того окружения, где расположены люминесцентные центры, и тому подобного). Концентрация люминесцентных центров, описанная в настоящем изобретении, относится к концентрации люминесцентных центров флуоресценции, полученной методом прямой оценки интенсивности флуоресцентной люминесценции или умножением концентрации люминесцентных центров, полученной другим методом, на квантовый выход флуоресценции.[0017] Well-known methods for determining the concentration of luminescent centers in diamond, such as MV centers, SiV centers, or NV centers, include the electron paramagnetic resonance (EPR) method, the extinction coefficient method, and the direct fluorescent luminescence intensity estimation method. The EPR method is a method for determining the concentration of unpaired electrons at the level of the ground state of a luminescent center, and the extinction coefficient method is intended to determine the concentration of electrons passing from the ground state to the excited state of a luminescent center. Any of the concentrations of luminescent centers determined by both methods does not correspond to the intensity of fluorescent luminescence, and the concentration of luminescent centers corresponding to the intensity of fluorescent luminescence is obtained only after multiplying either of these concentrations of luminescent centers by the quantum efficiency of fluorescence (which is known to vary widely from the value , infinitely close to zero, to a value close to 1, depending on the environment where the luminescent centers are located, and the like). The fluorescence center concentration described in the present invention refers to the fluorescence center concentration obtained by directly estimating the fluorescent luminescence intensity or by multiplying the luminescent center concentration obtained by another method by the fluorescence quantum yield.

[0018] Метод прямой оценки интенсивности люминесценции флуоресценции может быть осуществлен, например, с использованием микролазерного рамановского спектрометра (LabRam HR), выпускаемого компанией HORIBA, Ltd. Это простой метод оценки, но, когда образец с известной концентрацией люминесцентных центров (например, NV-центров) и образец, содержащий MV-центры, измеряют на интенсивность люминесценции флуоресценции с помощью точно такого же устройства и при одинаковых условиях, измеренная интенсивность люминесценции пропорциональна плотности люминесцентных центров, квантовому выходу флуоресценции и площади сечения поглощения возбужденного света в измеряемом объеме. При этом константа пропорциональности (которая отражает общую часть, такую как количество фотонов возбуждающего света и телесный угол обнаружения измерительной системы) может быть рассчитана с использованием результатов измерения образца с известной концентрацией люминесцентных центров (для NV-центров имеются в продаже образцы с установленной концентрацией люминесцентных центров). Концентрацию MV-центров можно оценить, используя эту константу пропорциональности и принимая литературные данные для квантового выхода флуоресценции и сечения поглощения MV-центров.[0018] A method for directly assessing fluorescence luminescence intensity can be carried out, for example, using a microlaser Raman spectrometer (LabRam HR) manufactured by HORIBA, Ltd. This is a simple evaluation method, but when a sample with a known concentration of luminescent centers (e.g., NV centers) and a sample containing MV centers are measured for fluorescence luminescence intensity using exactly the same device and under the same conditions, the measured luminescence intensity is proportional to the density luminescent centers, fluorescence quantum yield and cross-sectional area for absorption of excited light in the measured volume. In this case, the proportionality constant (which reflects the general part, such as the number of photons of the exciting light and the solid detection angle of the measuring system) can be calculated using the measurement results of a sample with a known concentration of luminescent centers (for NV centers, samples with an established concentration of luminescent centers are available for sale ). The concentration of MV centers can be estimated using this proportionality constant and taking literature data for the fluorescence quantum yield and absorption cross section of MV centers.

(1) Флуоресцентный алмаз(1) Fluorescent diamond

[0019] Флуоресцентный алмаз содержит MV-центр (M представляет собой металл или металлоид), атом M и вакансию (V).[0019] Fluorescent diamond contains an MV center (M represents a metal or metalloid), an M atom and a vacancy (V).

[0020] Примеры металла, представленного как M, включают элементы группы 3 (скандий, лантаноидные элементы и актиноидные элементы), элементы 4 группы (Ti, Zr и Hf), элементы группы 5 (V, Nb и Ta), элементы группы 6 (Cr, Mo и W), элементы группы 7 (Mn), элементы группы 8 (Fe, Ru и Os), элементы группы 9 (Co, Rh и Ir), элементы группы 10 (Ni, Pd и Pt), элементы группы 11 (Cu, Ag и Au), элементы группы 12 (Zn, Cd и Hg), элементы группы 13 (Al, Ga и In) и элементы группы 14 (Pb), а примеры металлоида включают B, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, Se и Te. Предпочтительным M является Si, Ge и Sn, и, в частности, Si и Ge. Один М может использоваться отдельно, или же два или более М могут использоваться в сочетании. Когда используются два или более М, могут содержаться два или более металлов, могут содержаться два или более металлоидов, или же могут содержаться один или более металлов и один или более металлоидов.[0020] Examples of metal represented as M include group 3 elements (scandium, lanthanide elements and actinide elements), group 4 elements (Ti, Zr and Hf), group 5 elements (V, Nb and Ta), group 6 elements ( Cr, Mo and W), group 7 elements (Mn), group 8 elements (Fe, Ru and Os), group 9 elements (Co, Rh and Ir), group 10 elements (Ni, Pd and Pt), group 11 elements (Cu, Ag and Au), group 12 elements (Zn, Cd and Hg), group 13 elements (Al, Ga and In) and group 14 elements (Pb), and metalloid examples include B, Si, Ge, Sn, P , As, Sb, Bi, Se and Te. Preferred M is Si, Ge and Sn, and in particular Si and Ge. One M may be used alone, or two or more M may be used in combination. When two or more M's are used, two or more metals may be present, two or more metalloids may be present, or one or more metals and one or more metalloids may be present.

[0021] В одном предпочтительном варианте осуществления содержание элемента-металла или металлоида, отличного от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, может быть предпочтительным для увеличения интенсивности флуоресценции. Когда содержится элемент-металл или металлоид, отличный от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, элемент-металл или металлоид, который каталитически образует MV-центр, вероятно, вводится в алмаз во время образования алмазной пленки или, при выполнении условий, элемент-металл или металлоид, вероятно, сам образует MV-центр.[0021] In one preferred embodiment, the content of a metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center may be advantageous to increase fluorescence intensity. When a metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is contained, the metal element or metalloid that catalytically forms the MV center is likely to be introduced into the diamond during the formation of the diamond film or, when conditions are met, the metal or metalloid element probably itself forms an MV center.

[0022] Элементом-металлом или металлоидом, отличным от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, предпочтительно является Fe, Co или Ni, а более предпочтительно Ni. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения элемент-металл или металлоид, отличный от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, может сосуществовать с элементом-металлом или металлоидом, составляющим MV-центр, внутри флуоресцентного алмаза, но, например, не в окрестности MV-центра, и может присутствовать на или поблизости от поверхности флуоресцентного алмаза.[0022] The metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is preferably Fe, Co or Ni, and more preferably Ni. In one preferred embodiment of the present invention, a metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center can coexist with the metal element or metalloid constituting the MV center within the fluorescent diamond, but not, for example, vicinity of the MV center, and may be present on or near the surface of the fluorescent diamond.

[0023] В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано в примерах 2 и 3, элемент-металл или металлоид, отличный от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, осаждают из паровой фазы на подложку, содержащую элемент-металл или металлоид, составляющий MV-центр, и на осажденном из паровой фазы элементе-металле или металлоиде образуют алмазную пленку, содержащую элемент-металл или металлоид, составляющий MV-центр, методом CVD или тому подобным.[0023] In one preferred embodiment of the present invention, as shown in Examples 2 and 3, a metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is vapor deposited onto a substrate containing the metal element or metalloid constituting the MV center, and on the vapor-deposited metal element or metalloid, a diamond film containing the metal element or metalloid constituting the MV center is formed by CVD or the like.

[0024] Флуоресцентный алмаз имеет MV-центр в качестве люминесцентного центра (флуоресцентного хромофора). MV-центр состоит из M (металла или металлоида) и V (вакансии) и может излучать флуоресценцию. В MV-центре обычно один M и одна или множество V (например, две, три или четыре, предпочтительно две или три) присутствуют смежно друг с другом. Например, SiV-центр, GeV-центр, SnV-центр и тому подобные состоят из одного M и двух V. NV-центр имеет структуру, в которой два соседних атома углерода заменены парой из атома азота и атомной вакансией, а один N и одна V присутствуют смежно друг с другом. Концентрация вакансий, введенных ионной имплантацией или тому подобным, может быть легко оценена путем моделирования.[0024] Fluorescent diamond has an MV center as a luminescent center (fluorescent chromophore). The MV center consists of M (metal or metalloid) and V (vacancies) and can emit fluorescence. In an MV center, typically one M and one or multiple Vs (eg, two, three or four, preferably two or three) are present adjacent to each other. For example, a SiV center, GeV center, SnV center and the like consist of one M and two V. An NV center has a structure in which two neighboring carbon atoms are replaced by a pair of a nitrogen atom and an atomic vacancy, and one N and one V are present adjacent to each other. The concentration of vacancies introduced by ion implantation or the like can be easily estimated by simulation.

[0025] Концентрация MV-центров флуоресцентного алмаза по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения предпочтительно составляет 1×1014/см3 или выше и, например, от 2×1014 до 1×1019/см3. В однотипных MV-центрах интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации MV-центров. Кроме того, существует оптимальное значение концентрации MV-центров. Интенсивность люминесценции - это концентрация люминесцентных центров, умноженная на площадь сечения поглощения возбуждающего света, квантовый выход и тому подобное. Площадь сечения поглощения сильно различается в зависимости от типа люминесцентного центра, и поэтому величину люминесценции люминесцентных центров различных типов нельзя сравнивать только по концентрации.[0025] The concentration of MV centers of the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is preferably 1×10 14 /cm 3 or higher and, for example, from 2×10 14 to 1×10 19 /cm 3 . In MV centers of the same type, the fluorescence intensity is proportional to the concentration of MV centers. In addition, there is an optimal value for the concentration of MV centers. Luminescence intensity is the concentration of luminescent centers multiplied by the cross-sectional area of absorption of the exciting light, quantum yield, and the like. The absorption cross-sectional area varies greatly depending on the type of luminescent center, and therefore the magnitude of luminescence of different types of luminescent centers cannot be compared only by concentration.

[0026] Плотность вакансий, введенных в флуоресцентный алмаз по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, предпочтительно составляет от 1×1016/см3 до 3×1021/см3, а более предпочтительно от 1×1018/см3 до 1×1021/см3. При слишком высокой плотности вакансий сам алмаз разрушился бы, а MV-центр не образовывался бы. При слишком низкой плотности вакансий было бы недостаточно V для формирования MV-центра (путем диффузии вакансий при отжиге и столкновения с M и связывания с ним), и поэтому уменьшалась бы концентрация MV-центров.[0026] The density of vacancies introduced into the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is preferably from 1 x 10 16 /cm 3 to 3 x 10 21 /cm 3 , and more preferably from 1 x 10 18 /cm 3 to 1 ×10 21 / cm 3 . If the vacancy density was too high, the diamond itself would be destroyed, and the MV center would not form. If the vacancy density is too low, there would not be enough V to form an MV center (by vacancy diffusion upon annealing and colliding with and binding to M), and therefore the concentration of MV centers would decrease.

[0027] Когда число введенных во флуоресцентный алмаз вакансий относительно числа M слишком мало, концентрация MV-центров уменьшалась бы, как описано выше, а значит, уменьшалась бы и интенсивность люминесценции. Отношение числа вакансий к числу M (число V/число M) флуоресцентного алмаза по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения составляет от 0,1 до 10000, предпочтительно от 1 до 10000, а более предпочтительно от 1 до 1000.[0027] When the number of vacancies introduced into a fluorescent diamond relative to the M number is too small, the concentration of MV centers would decrease as described above, and therefore the luminescence intensity would also decrease. The ratio of vacancy number to M number (V number/M number) of the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is from 0.1 to 10,000, preferably from 1 to 10,000, and more preferably from 1 to 1000.

[0028] Концентрация M (металла или металлоида) флуоресцентного алмаза по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения предпочтительно составляет от 0,0001 до 1 атомного %, а более предпочтительно от 0,0005 до 0,1 атомного %. При более высокой концентрации М концентрация MV-центров также имеет тенденцию к увеличению, но, когда концентрация М слишком высока, интенсивность флуоресценции будет иметь тенденцию к снижению. Таким образом, для концентрации M существует оптимальное значение.[0028] The M (metal or metalloid) concentration of the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is preferably 0.0001 to 1 atomic %, and more preferably 0.0005 to 0.1 atomic %. When the M concentration is higher, the concentration of MV centers also tends to increase, but when the M concentration is too high, the fluorescence intensity will tend to decrease. Thus, there is an optimal value for the concentration M.

[0029] Концентрация NV-центров, содержащихся во флуоресцентном алмазе по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, предпочтительно составляет 1×1017/см3 или ниже, а более предпочтительно 1×1016/см3 или ниже. NV-центр приводил бы к увеличенной фоновой для MV-центра флуоресценции, и поэтому концентрация NV-центра является желательно низкой.[0029] The concentration of NV centers contained in the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is preferably 1×10 17 /cm 3 or lower, and more preferably 1×10 16 /cm 3 or lower. The NV center would result in increased background fluorescence for the MV center, and therefore the concentration of the NV center is desirably low.

[0030] Длина волны флуоресценции флуоресцентного алмаза по одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения составляет от 650 до 950 нм, а предпочтительно от 700 до 900 нм для использования в качестве зонда для биовизуализации. Это предпочтительно, поскольку флуоресценция с длиной волны флуоресценции в видимой красной или ближней инфракрасной области легко проникает в кожу или ткани организма, даже когда клетки в глубокой части флуоресцентно мечены. Когда флуоресцентный алмаз используется в применениях, отличных от биовизуализации, таких как наблюдение на клеточном уровне или квантовое применение, диапазон длин волн флуоресценции конкретно не ограничен; однако с такой точки зрения, как простота наблюдения, длина волны флуоресценции предпочтительно находится в диапазоне от видимого света до ближней инфракрасной области.[0030] The fluorescence wavelength of the fluorescent diamond according to one preferred embodiment of the present invention is from 650 to 950 nm, and preferably from 700 to 900 nm for use as a bioimaging probe. This is advantageous because fluorescence with a fluorescence wavelength in the visible red or near-infrared region easily penetrates the skin or body tissue, even when cells in the deep part are fluorescently labeled. When fluorescent diamond is used in applications other than bioimaging, such as cellular-level observation or quantum applications, the fluorescence wavelength range is not particularly limited; however, from the point of view of ease of observation, the fluorescence wavelength is preferably in the range from visible light to near-infrared region.

[0031] Форма флуоресцентного алмаза конкретно не ограничена, и флуоресцентный алмаз может иметь любую форму, такую как форма листа, форма мембраны или пленки, форма столбика (цилиндра или призмы) или форма зерна (сфера, эллипсоид, кубоид, куб или многогранник). Толщина листовой формы или пленочной формы предпочтительно составляет приблизительно от 0,5 до 5 мкм. Диаметр столбчатой формы или зеренной формы, или тому подобной, предпочтительно составляет приблизительно от 2 до 500 нм. MV-центр флуоресцентного алмаза часто предпочтителен присутствующим во всем образце, но иногда может предпочтительно присутствовать в части поблизости от поверхности.[0031] The shape of the fluorescent diamond is not particularly limited, and the fluorescent diamond can have any shape, such as a sheet shape, a membrane or film shape, a column shape (cylinder or prism), or a grain shape (sphere, ellipsoid, cuboid, cube or polyhedron). The thickness of the sheet form or film form is preferably from about 0.5 to 5 microns. The diameter of the columnar shape or granular shape or the like is preferably from about 2 to 500 nm. The MV center of a fluorescent diamond is often preferentially present throughout the sample, but may sometimes preferentially be present in a portion near the surface.

(2) Способ получения флуоресцентного алмаза(2) Method for producing fluorescent diamond

[0032] Флуоресцентный алмаз может быть получен способом, включающим в себя использование алмаза, содержащего металл или металлоид (М), в качестве сырья и облучение этого алмаза-сырья высокоэнергетичным пучком для образования вакансии, а также отжиг алмаза с образовавшейся вакансией для образования MV-центра.[0032] Fluorescent diamond can be produced by a process that includes using a diamond containing a metal or metalloid (M) as a raw material, irradiating the raw diamond with a high-energy beam to create a vacancy, and annealing the diamond containing the resulting vacancy to form MV- center.

[0033] Концентрация M в алмазе, используемого в качестве сырья, эквивалентна концентрации в описанном выше флуоресцентном алмазе.[0033] The concentration of M in the diamond used as raw material is equivalent to the concentration in the fluorescent diamond described above.

[0034] Сырьевой алмаз, содержащий металл или металлоид (M), может быть получен известным способом, например, следующими способами (I)-(IV):[0034] Raw diamond containing metal or metalloid (M) can be produced by a known method, for example, the following methods (I)-(IV):

(I) использование подложки, содержащей элемент-металл или металлоид (M), который желательно ввести, для синтеза алмаза;(I) using a support containing a metal element or metalloid (M) desired to be introduced to synthesize diamond;

(II) осаждение из паровой фазы другого металла или тому подобного полностью или частично на подложку, содержащую элемент-металл или металлоид (М), который желательно ввести, и использование этой подложки для синтеза алмаза;(ii) vapor deposition of another metal or the like, in whole or in part, onto a support containing the metal element or metalloid (M) desired to be introduced, and using this support for the synthesis of diamond;

(III) добавление газа, содержащего элемент-металл или металлоид (М), который желательно ввести, в газ-сырье; или(III) adding a gas containing a metal element or metalloid (M) desired to be introduced into the feed gas; or

(IV) размещение источника испарения элемента-металла или металлоида (М), который желательно ввести, и источника распыления поблизости от подложки и подача желательного для введения элемента во время образования алмазной пленки в алмазную пленку.(IV) placing an evaporation source of the metal element or metalloid (M) desired to be introduced and a sputtering source in the vicinity of the substrate and supplying the element desired to be introduced during the formation of the diamond film into the diamond film.

[0035] Описанные выше способы (I)-(IV) могут быть осуществлены методами CVD, такими как метод CVD с горячей нитью или метод плазменного CVD, но не ограничены этими методами. Кроме того, при получении алмазного сырья детонационным методом, методом направленного внутрь взрыва, т.е. имплозии (методом ударного сжатия), методом высокой температуры и высокого давления или тому подобным, алмазное сырье, содержащее металл или металлоид (М), может быть произведено путем получения алмаза в присутствии соединения, содержащего металл или металлоид.[0035] Methods (I) to (IV) described above can be carried out by CVD methods such as hot filament CVD or plasma CVD, but are not limited to these methods. In addition, when obtaining rough diamonds by the detonation method, the method of an inward explosion, i.e. implosion (shock compression method), high temperature and high pressure method or the like, rough diamond containing a metal or metalloid (M) can be produced by producing diamond in the presence of a compound containing a metal or metalloid.

[0036] Для плотности вакансий, вводимых в сырьевой алмаз, содержащий металл или металлоид (М), путем облучения ионным пучком или облучения электронным пучком, верхний предел ограничен концентрацией, при которой алмаз разрушается (концентрация вакансий >1×1021/см3), но нижний предел составляет, например, 1×1016/см3 или выше, или даже 1×1018/см3 или выше. Примеры высокоэнергетичного пучка, используемого для облучения этого алмазного сырья высокоэнергетичным пучком, включают ионный пучок и электронный пучок, и высокоэнергетичный пучок предпочтительно представляет собой ионный пучок. Ионным пучком предпочтительно является пучок ионов водорода (H) или гелия (He). Например, энергия пучка ионов водорода предпочтительно составляет от 10 до 1500 кэВ, а энергия пучка ионов гелия предпочтительно составляет от 20 до 2000 кэВ. Энергия электронного пучка предпочтительно составляет от 500 до 5000 кэВ.[0036] For the density of vacancies introduced into a raw diamond containing a metal or metalloid (M) by ion beam irradiation or electron beam irradiation, the upper limit is limited by the concentration at which the diamond is destroyed (vacancy concentration >1×10 21 /cm 3 ) , but the lower limit is, for example, 1×10 16 /cm 3 or higher, or even 1×10 18 /cm 3 or higher. Examples of the high-energy beam used to irradiate this diamond raw material with a high-energy beam include an ion beam and an electron beam, and the high-energy beam is preferably an ion beam. The ion beam is preferably a hydrogen (H) or helium (He) ion beam. For example, the energy of the hydrogen ion beam is preferably from 10 to 1500 keV, and the energy of the helium ion beam is preferably from 20 to 2000 keV. The electron beam energy is preferably between 500 and 5000 keV.

[0037] Чтобы довести концентрацию вакансий до целевого значения (распределения), можно использовать метод, в котором надлежащие дозы инжекции заранее устанавливаются путем моделирования для множества энергий, называемого многоступенчатой инжекцией, с получением распределения концентрации в любом направлении по глубине. Пучок ионов He с энергией 360 кэВ может вводить вакансии в алмаз до глубины 800 нм. Пучок ионов H с энергией 180 кэВ может вводить вакансии в алмаз до глубины 800 нм.[0037] To bring the vacancy concentration to a target value (distribution), a method can be used in which the proper injection doses are pre-set by modeling for multiple energies, called multi-stage injection, to obtain a concentration distribution in any depth direction. A 360 keV He ion beam can introduce vacancies into diamond down to a depth of 800 nm. A 180 keV H ion beam can introduce vacancies into diamond down to a depth of 800 nm.

[0038] Вакансии могли бы быть введены путем облучения тяжелыми ионами, отличными от ионов H или He. Однако сохранение эквивалентной глубины вакансий, которые могут быть введены, потребовало бы энергии, приблизительно пропорциональной атомному номеру, а это привело бы к дорогостоящему облучению. Кроме того, вакансии концентрировались бы в непосредственной близости от траектории иона и поблизости от положения остановки, и это локально увеличило бы концентрацию вакансий и, в конечном итоге, повредило бы структуру самого алмаза и, вероятно, часто мешало бы люминесценции. Поэтому такой метод представляется ненадлежащим для введения вакансий.[0038] Vacancies could be introduced by irradiation with heavy ions other than H or He ions. However, maintaining an equivalent depth of vacancies that could be introduced would require energy approximately proportional to the atomic number, leading to costly irradiation. In addition, vacancies would concentrate in the immediate vicinity of the ion path and in the vicinity of the stopping position, and this would locally increase the vacancy concentration and ultimately damage the structure of the diamond itself and would likely often interfere with luminescence. Therefore, this method does not appear to be appropriate for introducing vacancies.

[0039] При облучении электронным пучком проникновение более выражено, чем при облучении ионным пучком, и, например, даже электронный пучок с энергией 500 кэВ достигает в алмазе глубины примерно 500 мкм. Известно, что энергия приблизительно 400 кэВ или выше приводит к созданию вакансии в алмазе. Однако эффективность создания вакансии ниже, чем при ионной имплантации, и поэтому специалисты в данной области техники могут надлежащим образом определить дозу облучения для образования достаточных вакансий.[0039] With electron beam irradiation, penetration is more pronounced than with ion beam irradiation, and, for example, even a 500 keV electron beam reaches a depth of approximately 500 μm in diamond. Energy of approximately 400 keV or higher is known to create a vacancy in diamond. However, the efficiency of creating a vacancy is lower than with ion implantation, and therefore those skilled in the art can appropriately determine the radiation dose to create sufficient vacancies.

[0040] Алмаз с введенными высокоэнергетичным облучением вакансиями подвергают обработке отжигом для диффузии вакансий и образования MV-центров, и это может вызвать люминесценцию флуоресценции. Температура отжига предпочтительно составляет 600°C или выше, более предпочтительно от 700 до 1600°C, а еще более предпочтительно от 750 до 900°C. Время отжига предпочтительно составляет от 5 до 60 минут, а более предпочтительно от 10 до 30 минут.[0040] Diamond with vacancies introduced by high-energy irradiation is subjected to annealing treatment to diffuse vacancies and form MV centers, and this can cause fluorescence luminescence. The annealing temperature is preferably 600°C or higher, more preferably 700 to 1600°C, and even more preferably 750 to 900°C. The annealing time is preferably 5 to 60 minutes, and more preferably 10 to 30 minutes.

[0041] Монокристаллический или поликристаллический флуоресцентный алмаз с толщиной приблизительно несколько мкм или менее может быть превращен в порошок флуоресцентного наноалмаза.[0041] Single-crystalline or polycrystalline fluorescent diamond with a thickness of approximately a few microns or less can be made into fluorescent nanodiamond powder.

[0042] Образование вакансий при ионной имплантации или облучении электронным пучком также означает образование вышедших из узлов решетки и переместившихся в междоузельные пространства атомов С. Такие междоузельные атомы С также могут диффундировать в приблизительно таких же условиях, как и условия диффузии вакансий, достигать поверхности и образовывать аморфный слой или слой графита. Присутствие этих слоев желательно исключить, так как они могут вызвать поглощение возбуждающего света или флуоресценции. Аморфный слой или слой графита могут быть удалены газофазным окислением или жидкофазным окислением.[0042] The formation of vacancies during ion implantation or irradiation with an electron beam also means the formation of C atoms emerging from lattice sites and moving into interstitial spaces. Such interstitial C atoms can also diffuse under approximately the same conditions as the conditions for vacancy diffusion, reach the surface and form amorphous layer or layer of graphite. It is advisable to exclude the presence of these layers, since they can cause absorption of exciting light or fluorescence. The amorphous layer or graphite layer can be removed by gas-phase oxidation or liquid-phase oxidation.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

[0043] Далее настоящее изобретение будет описано более конкретно со ссылкой на примеры, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.[0043] In the following, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(1) Пример 1(1) Example 1

[0044] В качестве подложки используют образец, приготовленный путем раскалывания имеющейся в продаже кремниевой подложки на квадраты со стороной примерно 2 см. Одну или две капли имеющейся в продаже жидкости с дисперсией наноалмазов (например, MSY0-0,5 GAF, выпускаемой компанией Microdiamant) капают на кремниевую подложку с помощью капельницы и натирают поверхность подложки ватным тампоном. Это предназначено для того, чтобы вызвать микроцарапины на поверхности кремниевой подложки для создания исходной точки для осаждения алмазной пленки с последующим ростом, а также использовать наноалмаз, оставшийся на подложке, в качестве зародыша для роста алмаза. Предварительно обработанную таким образом кремниевую подложку вводили в устройство CVD с горячей нитью.[0044] The substrate is a sample prepared by chopping a commercially available silicon substrate into approximately 2 cm squares. One or two drops of a commercially available nanodiamond dispersion liquid (for example, MSY0-0.5 GAF from Microdiamant) drop onto the silicon substrate using a dropper and rub the surface of the substrate with a cotton swab. This is intended to cause micro-scratches on the surface of the silicon substrate to create a starting point for diamond film deposition and subsequent growth, and to use the nanodiamond remaining on the substrate as a seed for diamond growth. The silicon substrate thus pretreated was introduced into a hot filament CVD device.

[0045] Концептуальный чертеж устройства CVD с горячей нитью показан на фиг.2. Устройство CVD с горячей нитью имеет танталовую (Ta) нить, электрод, поддерживающий эту нить, и подложкодержатель в вакуумной камере из нержавеющей стали, а снаружи вакуумной камеры к нити подключен источник питания нити (источник питания постоянного тока). К вакуумной камере подключены система подачи сырьевых газов (CH4 и H2), вакуумная система, включающая в себя высоковакуумный насос (турбомолекулярный насос) и низковакуумный насос (роторный насос), а также вакуумметр. Хотя для нити обычно используют танталовую проволоку, можно также использовать металлическую проволоку с высокой температурой плавления, такую как вольфрамовая проволока или ниобиевая проволока.[0045] A conceptual drawing of a hot filament CVD device is shown in FIG. 2. A hot filament CVD device has a tantalum (Ta) filament, an electrode supporting the filament, and a substrate holder in a stainless steel vacuum chamber, and a filament power supply (DC power supply) is connected to the filament outside the vacuum chamber. Connected to the vacuum chamber are a feed gas supply system (CH 4 and H 2 ), a vacuum system that includes a high-vacuum pump (turbo-molecular pump) and a low-vacuum pump (rotary pump), as well as a vacuum gauge. Although tantalum wire is usually used for the filament, metal wire with a high melting point such as tungsten wire or niobium wire can also be used.

[0046] CVD с горячей нитью осуществляли путем размещения предварительно обработанной кремниевой подложки на подложкодержателе, затем фиксации нити в положении на расстоянии примерно 7 мм от подложки, вакуумирования с помощью вакуумной системы на уровне 1×10-3 Па или ниже, остановки высоковакуумного насоса, затем напускания сырьевых газов CH4 при расходе 3 ст.см3/мин и H2 при расходе 200 ст.см3/мин и подачи электропитания на нить после того, как давление внутри вакуумной камеры стабилизировалось на уровне примерно 10 кПа. Образование пленки осуществляли при электропитании нити в 250 Вт в течение 2 часов.[0046] Hot filament CVD was performed by placing a pretreated silicon substrate on a substrate holder, then fixing the filament at a position approximately 7 mm from the substrate, evacuating with a vacuum system at 1×10 -3 Pa or lower, stopping the high vacuum pump, then injecting feed gases CH 4 at a flow rate of 3 sccm 3 /min and H 2 at a flow rate of 200 sccm 3 /min and supplying power to the filament after the pressure inside the vacuum chamber has stabilized at about 10 kPa. Film formation was carried out by powering the filament at 250 W for 2 hours.

[0047] Пленка поликристаллического алмаза после ее образования имела толщину пленки приблизительно 1,5 мкм. Размер кристаллических зерен составляет приблизительно 2 мкм в центральной части подложки (местоположение вблизи нити), становится меньше к периферии и составляет 1 мкм или менее в концевой части. На фиг. 3 показана оптическая микрофотография промежуточной части между центральной частью и периферийной частью алмазной пленки. На фиг. 4 показан спектр комбинационного рассеяния, измеренный в этой части образца. Для измерения использовали рамановский микроспектрометр LabRam HR фирмы HORIBA с длиной волны света возбуждения в 488 нм. Четко наблюдается пик на 1332/см, который характерен для алмаза, указывая на то, что образовался алмаз хорошего качества. На фиг. 5 показан результат измерения ФЛ в этом состоянии с помощью того же устройства (LabRam HR). Пик люминесценции SiV-центра наблюдается в положении 738 нм. Этот спектр типичен для образцов поликристаллического алмаза сразу после образования пленки методом горячей нити. Концентрация SiV-центров, определенная на основе интенсивности люминесценции флуоресценции, измеренной с помощью рамановского микроспектрометра LabRam HR от компании HORIBA, оценена в приблизительно 6×1012/см3 (оцененные тем же методом концентрации в алмазе показаны в настоящем описании, но они являются просто справочными значениями). Широкая люминесценция с пиком от 600 до 630 нм близка к люминесценции NV-центра по длине волны, но не имеет характеристики спектра люминесценции NV-центра. Таким образом, это, вероятно, не люминесценция NV-центра, а люминесценция органического вещества, образовавшегося на границах зерен алмаза.[0047] The polycrystalline diamond film once formed had a film thickness of approximately 1.5 μm. The size of the crystal grains is approximately 2 µm in the central part of the substrate (location near the filament), becomes smaller towards the periphery and is 1 µm or less at the end part. In fig. 3 shows an optical micrograph of the intermediate part between the central part and the peripheral part of the diamond film. In fig. Figure 4 shows the Raman spectrum measured in this part of the sample. A LabRam HR Raman microspectrometer from HORIBA with an excitation wavelength of 488 nm was used for measurements. A peak at 1332/cm, which is characteristic of diamond, is clearly observed, indicating that a good quality diamond has been formed. In fig. Figure 5 shows the result of measuring PL in this state using the same device (LabRam HR). The luminescence peak of the SiV center is observed at 738 nm. This spectrum is typical for polycrystalline diamond samples immediately after film formation by the hot filament method. The concentration of SiV centers, determined on the basis of fluorescence luminescence intensity measured using a LabRam HR Raman microspectrometer from HORIBA, is estimated to be approximately 6 x 10 12 /cm 3 (concentrations in diamond estimated by the same method are shown in the present description, but they are simply reference values). The broad luminescence with a peak from 600 to 630 nm is close to the luminescence of the NV center in wavelength, but does not have the characteristics of the luminescence spectrum of the NV center. Thus, this is probably not the luminescence of the NV center, but the luminescence of organic matter formed at the boundaries of diamond grains.

[0048] Затем образец алмаза облучали пучком He с энергией 2 МэВ в диапазоне от 6×1013/см2 до 6×1015/см2 (от 1×1018 до 1× 1020/см3 в пересчете на концентрацию вакансий), с последующим отжигом в вакууме при 800°C в течение 10 минут, а затем с последующим окислением в атмосфере при 470°C в течение 2 часов. Образец, подвергшийся таким образом облучению ионами и термической обработке, подвергали измерению ФЛ с помощью устройства, используемого для измерения спектра комбинационного рассеяния. На фиг. 6 показан результат измерения ФЛ после отжига образца, облученного ионами при условии 2×1015/см2. Интенсивность люминесценции SiV-центров приблизительно в 30 раз больше (концентрация SiV-центров составляет приблизительно 1,8×1014/см3) по сравнению с таковой сразу после образования пленки. Интенсивность широкой люминесценции на коротковолновой стороне немного увеличилась, но ни одна характеристика, свойственная люминесценции NV-центра, не наблюдается, что предполагает отсутствие включения NV-центра и удовлетворяет требованию: "концентрация NV-центров составляет 1×1017/см3 или ниже".[0048] The diamond sample was then irradiated with a 2 MeV He beam in the range from 6 x 10 13 /cm 2 to 6 x 10 15 /cm 2 (from 1 x 10 18 to 1 x 10 20 /cm 3 in terms of vacancy concentration ), followed by annealing in vacuum at 800°C for 10 minutes, and then followed by oxidation in atmosphere at 470°C for 2 hours. The sample thus subjected to ion irradiation and heat treatment was subjected to PL measurement using a device used to measure the Raman spectrum. In fig. Figure 6 shows the result of measuring PL after annealing a sample irradiated with ions under the condition of 2×10 15 /cm 2 . The luminescence intensity of SiV centers is approximately 30 times greater (the concentration of SiV centers is approximately 1.8×10 14 /cm 3 ) compared to that immediately after film formation. The intensity of the broad luminescence on the short-wavelength side has increased slightly, but none of the characteristics characteristic of NV center luminescence is observed, which suggests that the NV center is not included and satisfies the requirement: “the concentration of NV centers is 1×10 17 /cm 3 or lower.” .

(2) Пример 2(2) Example 2

[0049] Предварительную обработку куска кремниевой подложки осуществляли путем нанесения небольшого количества имеющегося в продаже наноалмаза в порошковом виде (например, MSY0-0,5, выпускаемого компанией Microdiamont) на кремниевую подложку и натирания наноалмазом поверхности подложки с помощью ватного тампона. На предварительно обработанную таким образом подложку осаждали из паровой фазы никель с толщиной пленки примерно 50 нм на часть, приблизительно равную половине площади поверхности образца, используя устройство магнетронного распыления. С использованием этой подложки и с использованием устройства CVD с горячей нитью, показанного на фиг. 2, сформировали алмазную пленку таким же образом, как и в примере 1.[0049] Pre-treatment of a piece of silicon substrate was accomplished by applying a small amount of commercially available nanodiamond powder (eg, MSY0-0.5 from Microdiamont) onto the silicon substrate and rubbing the nanodiamond onto the surface of the substrate using a cotton swab. On the substrate thus pretreated, nickel with a film thickness of approximately 50 nm was vapor deposited over an area approximately equal to half the surface area of the sample using a magnetron sputtering device. Using this substrate and using the hot filament CVD device shown in FIG. 2, formed a diamond film in the same way as in example 1.

[0050] Условия образования пленки были приблизительно такими же, как и в примере 1; нить фиксировали в положении на расстоянии примерно 7 мм от подложки, вакуумирование проводили с помощью вакуумной системы на уровне 1×10-3 Па или ниже, и после остановки высоковакуумного насоса напускали сырьевые газы CH4 при 3 ст.см3/мин и H2 при 200 ст.см3/мин, и после того, как давление внутри вакуумной камеры стабилизировалось на примерно 10 кПа, на нить подавали электропитание. Образование пленки осуществляли при электропитании нити в 250 Вт в течение 2 часов. В результате на всей подложке выросла алмазная пленка, и распределения размеров частиц и толщины пленки получились приблизительно такими же, как и же в примере 1. Из них оптическая микрофотография поверхности образца в области парофазного осаждения никеля показана на фиг. 7, спектр комбинационного рассеяния, измеренный в периферийной области, показан на фиг. 8, а результат измерения ФЛ - на фиг. 9. При измерении комбинационного рассеяния наблюдается четкий пик алмаза на 1332/см, указывающий на то, что образовался алмаз хорошего качества, как в примере 1. Результат измерения ФЛ указывает на то, что сразу после образования пленки образовались SiV-центры с высокой концентрацией (3×1013/см3 в соответствии с тем же методом оценки концентрации), приблизительно в 5 раз большей, чем в примере 1.[0050] Film formation conditions were approximately the same as in example 1; the filament was fixed in position at a distance of approximately 7 mm from the substrate, evacuation was carried out using a vacuum system at a level of 1×10 -3 Pa or lower, and after stopping the high-vacuum pump, the feed gases CH 4 at 3 sccm 3 /min and H 2 were introduced at 200 sccm 3 /min, and after the pressure inside the vacuum chamber had stabilized at about 10 kPa, electrical power was applied to the filament. Film formation was carried out by powering the filament at 250 W for 2 hours. As a result, a diamond film grew over the entire substrate, and the distributions of particle sizes and film thickness turned out to be approximately the same as in example 1. Of these, an optical micrograph of the sample surface in the region of nickel vapor deposition is shown in FIG. 7, the Raman spectrum measured in the peripheral region is shown in FIG. 8, and the result of PL measurement is in Fig. 9. When measuring Raman scattering, a clear peak of diamond is observed at 1332/cm, indicating that a good quality diamond was formed, as in Example 1. The result of PL measurement indicates that immediately after the formation of the film, SiV centers with a high concentration of ( 3×10 13 /cm 3 in accordance with the same method for estimating the concentration), approximately 5 times greater than in example 1.

[0051] Этот образец аналогично подвергали ионной имплантации пучком He и обработке отжигом. Наибольшая концентрация SiV-центров была получена при условиях инжекции 6×1015/см2. Результат измерения ФЛ показан на фиг. 10. Концентрация SiV-центров, определенная по интенсивности люминесценции полученных здесь SiV-центров, оценена в 7×1014/см3. Эта концентрация далека от концентрации SiV-центров, естественно образующихся после образования пленки методом CVD, и попытка введения этой концентрации Si ионной имплантацией Si вызвала бы непоправимое повреждение алмаза. Таким образом, эта концентрация, вероятно, достигается только после применения способа по настоящему изобретению.[0051] This sample was similarly subjected to He beam ion implantation and annealing treatment. The highest concentration of SiV centers was obtained under injection conditions of 6×10 15 /cm 2 . The result of the PL measurement is shown in Fig. 10. The concentration of SiV centers, determined from the luminescence intensity of the SiV centers obtained here, is estimated at 7 × 10 14 /cm 3 . This concentration is far from the concentration of SiV centers naturally formed after CVD film formation, and attempting to introduce this concentration of Si by Si ion implantation would cause irreparable damage to the diamond. Thus, this concentration is likely to be achieved only after applying the method of the present invention.

[0052] Ни одна характеристика, свойственная люминесценции NV-центра, не наблюдается, как и в примере 1, что предполагает отсутствие включения NV-центров и удовлетворение требования: "концентрация NV-центров составляет 1×1017/см3 или ниже".[0052] No characteristic of NV center luminescence is observed as in Example 1, suggesting that NV centers are not included and the requirement "NV center concentration is 1×10 17 /cm 3 or lower" is met.

[0053] Хотя механизм, по которому частичное образование пленки никеля до образования алмазной пленки увеличивает концентрацию полученных SiV-центров, четко не проанализирован, авторы настоящего изобретения предполагают, что никель и кремний в алмазе или на поверхности алмаза распределяются за границу области парофазного осаждения, и это позволяет обоим элементам служить в качестве катализаторов во время образования алмазной пленки и примешиваться по мере роста алмаза, а присутствие никеля увеличивает эффект примешивания по сравнению с таковым в отсутствие никеля, и это приводит в результате к увеличенному введению атомов кремния в алмаз.[0053] Although the mechanism by which partial formation of the nickel film prior to the formation of the diamond film increases the concentration of the resulting SiV centers has not been clearly analyzed, the present inventors hypothesize that nickel and silicon in the diamond or on the surface of the diamond are distributed beyond the boundary of the vapor deposition region, and this allows both elements to serve as catalysts during the formation of the diamond film and to be admixed as the diamond grows, and the presence of nickel increases the effect of admixture compared to that in the absence of nickel, and this results in an increased incorporation of silicon atoms into the diamond.

(3) Пример 3(3) Example 3

[0054] После того, как кремниевую подложку предварительно обработали с использованием имеющегося в продаже наноалмаза, как в примере 2, приблизительно на половине площади поверхности образца сформировали пленку кобальта с использованием устройства магнетронного распыления. Толщина пленки кобальта составляла примерно 50 нм. С использованием этой подложки и с использованием устройства CVD с горячей нитью, показанного на фиг. 2, сформировали алмазную пленку таким же образом, как в примерах 1 и 2. Условия образования пленки были приблизительно такими же, как в примерах 1 и 2; нить фиксировали в положении на расстоянии примерно 7 мм от подложки, вакуумирование осуществляли с помощью вакуумной системы на уровне 1×10-3 Па или ниже, и высоковакуумный насос останавливали, напускали сырьевые газы CH4 при 3 ст.см3/мин и H2 при 200 ст.см3/мин, и после того, как давление внутри вакуумной камеры стабилизировалось на примерно 10 кПа, на нить подавали электропитание. Образование пленки осуществляли при электропитании нити в 250 Вт в течение 2 часов. В результате на всей подложке выросла алмазная пленка, и распределения размеров частиц и толщины пленки получили приблизительно такими же, как в примерах 1 и 2. Из них оптическая микрофотография поверхности образца в области парофазного осаждения кобальта показана на фиг. 11, спектр комбинационного рассеяния, измеренный в периферийной области, показан на фиг. 12, а результат измерения ФЛ - на фиг. 13. Эти результаты выявили четкий пик алмаза, наблюдаемый на 1332/см при измерении комбинационного рассеяния, как и в примерах 1 и 2, что указывает на образование алмаза хорошего качества. Результат измерения ФЛ был приблизительно в 3 раза больше, чем в примере 1, и примерно в 0,6 раза меньшим, чем в примере 2, указывая на то, что сразу после образования пленки образовались SiV-центры с концентрацией (1,8×1013/см3 в соответствии с тем же методом оценки концентрации) между концентрацией, полученной без напыления металла, и концентрацией, полученной в присутствии пленки никеля.[0054] After the silicon substrate was pretreated using a commercially available nanodiamond as in Example 2, a cobalt film was formed on approximately half the surface area of the sample using a magnetron sputtering device. The thickness of the cobalt film was approximately 50 nm. Using this substrate and using the hot filament CVD device shown in FIG. 2, formed a diamond film in the same way as in examples 1 and 2. The film formation conditions were approximately the same as in examples 1 and 2; the filament was fixed in position at a distance of approximately 7 mm from the substrate, evacuation was carried out using a vacuum system at a level of 1×10 -3 Pa or lower, and the high vacuum pump was stopped, feed gases CH 4 at 3 cm 3 /min and H 2 were introduced at 200 sccm 3 /min, and after the pressure inside the vacuum chamber had stabilized at about 10 kPa, electrical power was applied to the filament. Film formation was carried out by powering the filament at 250 W for 2 hours. As a result, a diamond film grew over the entire substrate, and the particle size distributions and film thicknesses were approximately the same as in Examples 1 and 2. Of these, an optical micrograph of the sample surface in the region of cobalt vapor deposition is shown in FIG. 11, the Raman spectrum measured in the peripheral region is shown in FIG. 12, and the PL measurement result is shown in FIG. 13. These results revealed a clear diamond peak observed at 1332/cm in Raman measurements as in Examples 1 and 2, indicating the formation of a good quality diamond. The PL measurement result was approximately 3 times greater than in example 1 and approximately 0.6 times less than in example 2, indicating that SiV centers with a concentration of (1.8 × 10 13 /cm 3 in accordance with the same method for assessing the concentration) between the concentration obtained without metal deposition and the concentration obtained in the presence of a nickel film.

[0055] Этот образец аналогично подвергали ионной имплантации пучком He и обработке отжигом. Наибольшая концентрация SiV-центров была получена при условиях инжекции 6×1014/см2. Результат измерения ФЛ показан на фиг. 14. Интенсивность люминесценции полученных здесь SiV-центров составляет примерно половину результата образца, полученного путем образования пленки никеля, показанной в примере 2, и концентрация оценена в приблизительно 3,5×1014/см3. Хотя концентрация, таким образом, не сопоставима с концентрацией в примере 2, где использовали никель, эффект увеличения концентрации SiV-центров при парофазном осаждении металла очевиден. Таким образом, авторы настоящего изобретения предполагают, что другие переходные металлы, такие как железо, тоже обладают таким же эффектом.[0055] This sample was similarly subjected to He beam ion implantation and annealing treatment. The highest concentration of SiV centers was obtained under injection conditions of 6×10 14 /cm 2 . The result of the PL measurement is shown in Fig. 14. The luminescence intensity of the SiV centers obtained here is approximately half that of the sample obtained by forming the nickel film shown in Example 2, and the concentration is estimated to be approximately 3.5 x 10 14 /cm 3 . Although the concentration is thus not comparable to that in Example 2, where nickel was used, the effect of increasing the concentration of SiV centers during metal vapor deposition is obvious. Thus, the present inventors hypothesize that other transition metals, such as iron, also have the same effect.

[0056] Ни одна характеристика, свойственная люминесценции NV-центров, не наблюдается, как в примере 1, что предполагает отсутствие включения NV-центров и удовлетворяет требованию: "концентрация NV-центров составляет 1×1017/см3 или ниже".[0056] No characteristic of NV center luminescence is observed as in Example 1, suggesting no NV center inclusion and satisfying the requirement: “NV center concentration is 1×10 17 /cm 3 or lower.”

Claims (23)

1. Флуоресцентный алмаз, содержащий MV-центр в концентрации 1×1014/см3 или выше, причем М представляет собой элемент-металл или металлоид, выбранный из Si, Ge, Sn, Pb, Ni или Co, а V представляет собой вакансию, при этом флуоресцентный алмаз удовлетворяет (i), (ii), (iii) и (iv):1. A fluorescent diamond containing an MV center at a concentration of 1×10 14 /cm 3 or higher, wherein M represents a metal element or metalloid selected from Si, Ge, Sn, Pb, Ni or Co, and V represents a vacancy , while the fluorescent diamond satisfies (i), (ii), (iii) and (iv): (i) имеет отношение числа вводимых вакансий к числу атомов металла или металлоида от 0,1 до 10000 (число V/число M);(i) has a ratio of the number of introduced vacancies to the number of metal or metalloid atoms from 0.1 to 10,000 (V number/M number); (ii) содержит от 0,0001 до 1 атомного % металла или металлоида (М);(ii) contains from 0.0001 to 1 atomic percent metal or metalloid (M); (iii) имеет концентрацию центров азот-вакансия 1×1017/см3 или ниже; и(iii) has a concentration of nitrogen-vacancy centers of 1×10 17 /cm 3 or lower; And (iv) имеет плотность вакансий от 1×1016/см3 до 3×1021/см3.(iv) has a vacancy density from 1×10 16 /cm 3 to 3×10 21 /cm 3 . 2. Флуоресцентный алмаз по п. 1, в котором элементом-металлом или металлоидом является Si, Ge или Sn.2. The fluorescent diamond according to claim 1, wherein the metal element or metalloid is Si, Ge or Sn. 3. Флуоресцентный алмаз по п. 1 или 2, в котором элементом-металлоидом является Si.3. Fluorescent diamond according to claim 1 or 2, in which the metalloid element is Si. 4. Флуоресцентный алмаз по любому из пп. 1-3, содержащий элемент-металл или металлоид, отличный от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр.4. Fluorescent diamond according to any one of paragraphs. 1-3, containing a metal element or metalloid different from the metal element or metalloid constituting the MV center. 5. Флуоресцентный алмаз по п. 4, в котором элементом-металлом или металлоидом, отличным от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, является Fe, Co или Ni.5. The fluorescent diamond according to claim 4, wherein the metal element or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is Fe, Co or Ni. 6. Способ получения флуоресцентного алмаза, содержащего MV-центр в концентрации 1×1014/см3 или выше, причем М представляет собой Si, Ge, Sn, Pb, Ni или Co, а V представляет собой вакансию, и при этом способ получения флуоресцентного алмаза включает первый этап и второй этап:6. A method for producing a fluorescent diamond containing an MV center at a concentration of 1×10 14 /cm 3 or higher, wherein M represents Si, Ge, Sn, Pb, Ni or Co, and V represents a vacancy, and the method for obtaining fluorescent diamond includes the first stage and the second stage: первый этап: введение от 0,0001 до 1 атомного % металла или металлоида (М), выбранного из Si, Ge, Sn, Pb, Ni или Co, в процессе синтеза алмаза так, чтобы получить алмаз, содержащий металл или металлоид (М); иfirst step: introducing from 0.0001 to 1 atomic % of a metal or metalloid (M) selected from Si, Ge, Sn, Pb, Ni or Co, in the diamond synthesis process so as to obtain a diamond containing the metal or metalloid (M) ; And второй этап: облучение алмаза, содержащего металл или металлоид (М), высокоэнергетичным пучком для образования вакансии и последующий отжиг алмаза так, чтобы образовался MV-центр, испускающий флуоресценцию;second stage: irradiation of a diamond containing a metal or metalloid (M) with a high-energy beam to form a vacancy and subsequent annealing of the diamond so that an MV center is formed, emitting fluorescence; при этом флуоресцентный алмаз удовлетворяет (i), (ii), (iii) и (iv):in this case, the fluorescent diamond satisfies (i), (ii), (iii) and (iv): (i) имеет отношение числа вводимых вакансий к числу атомов металла или металлоида от 0,1 до 10000 (число V/число M);(i) has a ratio of the number of introduced vacancies to the number of metal or metalloid atoms from 0.1 to 10,000 (V number/M number); (ii) содержит от 0,0001 до 1 атомного % металла или металлоида (М);(ii) contains from 0.0001 to 1 atomic percent metal or metalloid (M); (iii) имеет концентрацию центров азот-вакансия 1×1017/см3 или ниже; и(iii) has a concentration of nitrogen-vacancy centers of 1×10 17 /cm 3 or lower; And (iv) имеет плотность вакансий от 1×1016/см3 до 3×1021/см3.(iv) has a vacancy density from 1×10 16 /cm 3 to 3×10 21 /cm 3 . 7. Способ получения флуоресцентного алмаза по п. 6, в котором высокоэнергетичным пучком является пучок ионов He или H или электронный пучок.7. The method for producing fluorescent diamond according to claim 6, in which the high-energy beam is a beam of He or H ions or an electron beam. 8. Способ получения флуоресцентного алмаза по п. 6, в котором на первом этапе обеспечивают присутствие металла или металлоида, отличного от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр.8. The method for producing fluorescent diamond according to claim 6, wherein the first step is to ensure the presence of a metal or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center. 9. Способ получения флуоресцентного алмаза по п. 8, в котором металлом или металлоидом, отличным от элемента-металла или металлоида, составляющего MV-центр, является Fe, Co или Ni.9. The method for producing fluorescent diamond according to claim 8, wherein the metal or metalloid other than the metal element or metalloid constituting the MV center is Fe, Co or Ni. 10. Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пп. 6-9, в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является способ химического осаждения из паровой фазы (способ CVD).10. A method for producing fluorescent diamond according to any one of claims. 6-9, in which the method for synthesizing diamond in the first stage is the chemical vapor deposition method (CVD method). 11. Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пп. 6-9, в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является детонационный способ.11. A method for producing fluorescent diamond according to any one of claims. 6-9, in which the method for synthesizing diamond at the first stage is the detonation method. 12. Способ получения флуоресцентного алмаза по любому из пп. 6-9, в котором способом синтеза алмаза на первом этапе является способ направленного внутрь взрыва.12. A method for producing fluorescent diamond according to any one of claims. 6-9, in which the method of synthesizing diamond at the first stage is the method of inward explosion.
RU2021114749A 2018-10-31 2019-10-29 Fluorescent diamond and method for its production RU2804497C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-206068 2018-10-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021114749A RU2021114749A (en) 2022-11-30
RU2804497C2 true RU2804497C2 (en) 2023-10-02

Family

ID=

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4184079A (en) * 1977-05-26 1980-01-15 National Research Development Corporation Radiation toughening of diamonds
JP2005306674A (en) * 2004-04-22 2005-11-04 Nof Corp Polycrystalline diamond material and its manufacturing method
JP2009046319A (en) * 2007-08-13 2009-03-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Functionalized diamond material and its production method
RU2415204C2 (en) * 2005-06-22 2011-03-27 Элемент Сикс Лимитед Colourless diamond layer
RU2434977C1 (en) * 2010-04-16 2011-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина" (ГОУ ВПО КГУ) Procedure for production of diamonds of fantasy yellow and black colour
JP2012041406A (en) * 2010-08-17 2012-03-01 Sumitomo Electric Ind Ltd Diamond
RU2466088C2 (en) * 2007-05-10 2012-11-10 Инсерм (Энститю Насьональ Де Ля Сантэ Э Де Ля Решерш Медикаль) Method of producing diamond light-emitting nanoparticles
JP2014095025A (en) * 2012-11-08 2014-05-22 Osaka Univ Diamond composite particles
JP2016113310A (en) * 2014-12-11 2016-06-23 株式会社神戸製鋼所 Method for producing carbon particle by detonation method
JP2016117633A (en) * 2014-12-19 2016-06-30 ビジョン開発株式会社 Diamond structure excellent in thermal conductivity, and production method thereof
CN107954421A (en) * 2017-12-13 2018-04-24 郑州大学 A kind of atom level doped diamond and its synthetic method
JP2018136316A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日新電機株式会社 Detection device, detection method, and voltage/current detection device using the same

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4184079A (en) * 1977-05-26 1980-01-15 National Research Development Corporation Radiation toughening of diamonds
JP2005306674A (en) * 2004-04-22 2005-11-04 Nof Corp Polycrystalline diamond material and its manufacturing method
RU2415204C2 (en) * 2005-06-22 2011-03-27 Элемент Сикс Лимитед Colourless diamond layer
RU2466088C2 (en) * 2007-05-10 2012-11-10 Инсерм (Энститю Насьональ Де Ля Сантэ Э Де Ля Решерш Медикаль) Method of producing diamond light-emitting nanoparticles
JP2009046319A (en) * 2007-08-13 2009-03-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Functionalized diamond material and its production method
RU2434977C1 (en) * 2010-04-16 2011-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина" (ГОУ ВПО КГУ) Procedure for production of diamonds of fantasy yellow and black colour
JP2012041406A (en) * 2010-08-17 2012-03-01 Sumitomo Electric Ind Ltd Diamond
JP2014095025A (en) * 2012-11-08 2014-05-22 Osaka Univ Diamond composite particles
JP2016113310A (en) * 2014-12-11 2016-06-23 株式会社神戸製鋼所 Method for producing carbon particle by detonation method
JP2016117633A (en) * 2014-12-19 2016-06-30 ビジョン開発株式会社 Diamond structure excellent in thermal conductivity, and production method thereof
JP2018136316A (en) * 2017-02-21 2018-08-30 日新電機株式会社 Detection device, detection method, and voltage/current detection device using the same
CN107954421A (en) * 2017-12-13 2018-04-24 郑州大学 A kind of atom level doped diamond and its synthetic method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STEFANO LAGOMARSINO et al. Optical properties of silicon-vacancy color centers in diamond created by ion implantation and post-annealing, Diamond & Related Mater., 2018, v. 84, p.p.196-203. *
КОМАРОВСКИХ. А.Ю. Исследование структуры и электронного состояния парамагнитных центров в алмазе, связанных с вхождением фосфора, кислорода, водорода, кремния и германия, Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук, Новосибирск, 2016, сс. 20-22, 28-35, 39-43. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6028307B2 (en) Pink CVD synthetic single crystal diamond material
CN102666944B (en) Synthetic cvd diamond
Woods et al. The nitrogen content of type Ib synthetic diamond
Aleksenskii et al. Optical properties of nanodiamond layers
Jiang et al. Observations on the surface and bulk luminescence of porous silicon
JP2015505810A (en) Single crystal CVD synthetic diamond material
KR20130041884A (en) Diamond tools
JP7429367B2 (en) Fluorescent diamond and its manufacturing method
JP2018502041A5 (en)
US20190322930A1 (en) Luminescent diamond material and method of producing the same
Wang et al. 2D XANES-XEOL mapping: observation of enhanced band gap emission from ZnO nanowire arrays
Alykova et al. Raman diagnostics of silicon nanocrystals dissolution in aqueous medium
RU2804497C2 (en) Fluorescent diamond and method for its production
EP4067540A1 (en) Synthetic single crystal diamond, tool equipped with same, and synthetic single crystal diamond production method
Khomich et al. Use of optical spectroscopy methods to determine the solubility limit for nitrogen in diamond single crystals synthesized by chemical vapor deposition
Kazuchits et al. Cathodoluminescence of synthetic diamonds annealed at high temperature without stabilizing pressure
Leblans et al. X-ray enhancement of CsI: Eu2+ radioluminescence
Jensen et al. Ge nanocrystals in magnetron sputtered SiO 2
Vlasov et al. Relative Abundance of Single and Vacancy‐Bonded Substitutional Nitrogen in CVD Diamond
JPH02385A (en) Diamond light-emitting device and manufacture thereof
Hei et al. Optical characterization of single-crystal diamond grown by DC arc plasma jet CVD
RU2448900C2 (en) Method of producing diamond structure with nitrogen-vacancy defects
Cicala et al. Thermoluminescent response of thin (2 µm) polycrystalline diamond films grown by pulsed and continuous microwave plasmas
EP4317544A1 (en) Single-crystal diamond and diamond composite comprising same
EP4317540A1 (en) Single crystal diamond and method for producing same