一種制備鎳-氮摻雜金剛石的射頻放電氣相沉積方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于金剛石氣相沉積制備
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，特別是提供了一種制備鎳-氮摻雜金剛石的射頻放電氣相沉積方法，利用噴射的射頻放電等離子體來增強化學(xué)氣相沉積實現(xiàn)鎳-氮摻雜金剛石制備?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]隨著社會的發(fā)展，人們對信息量和處理速度提出了更多、更快的要求。利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞和計算的量子通訊和量子計算由于其數(shù)據(jù)量大、保密性好、運算速度快的特點正成為新型的通訊和計算方式（周正威，陳巍，孫方穩(wěn)，等，量子信息技術(shù)縱覽，科學(xué)通報，57(17)(2012):1498-1525)。量子通訊和量子計算的基礎(chǔ)是對相干疊加或者糾纏的量子態(tài)實現(xiàn)編碼、傳輸和計算的控制和操縱的量子信息處理[李承祖，等，《量子通信和量子計算》，國防科技大學(xué)出版社，長沙，2000年]。金剛石正是能夠承擔(dān)量子信息處理的理想材料，因為當(dāng)金剛石中包含原子尺度的摻雜結(jié)構(gòu)時，在外激勵的作用下能夠表現(xiàn)出特殊的量子效應(yīng)，比如可調(diào)控的單量子比特和多量子比特，可寄存的量子態(tài)，可按邏輯門操作的雙量子比特，以及糾纏態(tài)三量子比特等等（LAharonovich，E.Neu，DiamondNanophotonics，AdvancedOpticalMaterials，2(2014):911_928)，而且這些結(jié)構(gòu)在室溫下具有很長的電子自旋退相干時間、純凈的自旋環(huán)境和與周圍核自旋豐富的超精細(xì)相互作用，因此，這種具有原子尺度摻雜結(jié)構(gòu)的金剛石在量子信息處理中具有廣闊的前景(F.C.Waldermann,P.Olivero,J.Nunn等，Creatingdiamondcolorcentersforquantumopticalapplications，Diamond&RelatedMaterials，16(2007):1887_1895)。當(dāng)前在金剛石中被利用來進(jìn)行量子信息處理的摻雜結(jié)構(gòu)是氮原子-空位組態(tài)（L.Childress,M.V.GurudevDutt,J.M.Taylor，等，CoherentDynamicsofCoupledElectronandNuclearSpinQubitsinDiamond，Science，314(2006):281-285)，其自1997年被報導(dǎo)以來(J.I.Cirac,P.Zoller,H.J.Kimble,等，Quantumstatetransferandentanglementdistributionamongdistantnodesinaquantumnetwork.Phys.Rev.Lett.78(1997)：3221-3224)，主要的制備技術(shù)是離子注入技術(shù)（D.P.Ertchak,V.G.Efimov,V.F.Stelmakh,等，TheOriginofDominatingESRAbsorptioninIonImplantedDiamond,PHYSICASTATUSSOLIDIB-BASICRESEARCH,203(2)(1997):529-547)，該技術(shù)是利用把摻雜的氮原子離化加速后引入到金剛石中的一種材料改性方法。除了離子注入技術(shù)之外，化學(xué)氣相沉積技術(shù)也成為一種候選的制備氮原子-空位組態(tài)摻雜結(jié)構(gòu)的技術(shù)（Michl,Julia;Teraji,Tokuyuki；Zaiser,Sebastian；等，Perfectalignmentandpreferentialorientationofnitrogen-vacancycentersduringchemicalvapordepositiondiamondgrowthon(111)surfaces,APPLIEDPHYSICSLETTERS,104(10)(2014)：102407)〇化學(xué)氣相沉積技術(shù)是將要摻雜的原子（或者多原子組態(tài)）作為沉積反應(yīng)的前驅(qū)體導(dǎo)入到反應(yīng)區(qū)，在沉積過程中凝聚到金剛石的晶格中，形成原子尺度的摻雜結(jié)構(gòu)。近來，金剛石中一種原子尺度的鎳-氮組態(tài)摻雜結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)在量子性能上有很多優(yōu)點，是提供量子比特最理想的單光子源（T.Gaebel和J.Wrachtrup，Stablesingle-photonsourceinthenearinfrared,NewJournalofPhysics，6(2004):98-104)。但是，到目前為止，只有國外一個研宄組報道了采用微波法制備的結(jié)果（J.R.Rabeau,Y.L.Chin,S.Prawer,等，F(xiàn)abricationofsinglenickel-nitrogendefectsindiamondbychemicalvapordeposition，APPLIEDPHYSICSLETTERS86(2005):131926)。[0003]目前離子注入技術(shù)僅限于制作金剛石中的氮原子-空位摻雜，對于多原子摻雜卻很難實現(xiàn)，比如采用該技術(shù)進(jìn)行鎳-氮摻雜的制備就沒有成功。分析其失敗的原因，從其原理上可以看出：離子注入的過程是利用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射（注入）金剛石中，從而在所選擇的（即被注入的）區(qū)域形成一個具有特殊性質(zhì)的表面層（注入層）。所以該技術(shù)的特長是進(jìn)行單原子的摻雜，很難進(jìn)行多原子的摻雜，這正是該技術(shù)的局限。相比之下，化學(xué)氣相沉積技術(shù)較適合在金剛石中進(jìn)行多原子的摻雜，但是，目前所采用的化學(xué)氣相沉積技術(shù)都是采用微波等離子體增強的化學(xué)氣相沉積，不能保證摻雜金剛石的規(guī)則分布生長，不滿足進(jìn)行下一步的量子信息處理的要求；并且由于微波等離子體離化率較高，很難保證多原子組態(tài)摻雜的實現(xiàn)。為了拓展摻雜金剛石的制備種類，滿足多原子組態(tài)摻雜的要求，急需提供新的制備技術(shù)?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備鎳-氮摻雜金剛石的射頻放電氣相沉積方法，利用噴射的射頻放電等離子體來增強化學(xué)氣相沉積，實現(xiàn)鎳-氮摻雜金剛石制備。將射頻放電激發(fā)的等離子體以噴射的方式掠射襯底，通過調(diào)整工藝參數(shù)構(gòu)建出穩(wěn)定的等離子體邊界層，實現(xiàn)摻雜原子濃度的可控沉積；另一方面，利用射頻放電等離子體電場溫和的特點，來保證多原子組態(tài)構(gòu)型的穩(wěn)定性以及保持襯底上掩模材料規(guī)則花樣的完整性，從而實現(xiàn)摻雜原子的定位沉積。本方法可以滿足多原子組態(tài)摻雜的要求。[0005]本發(fā)明鎳-氮摻雜金剛石是在射頻放電等離子體噴射化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行的。其中采用射頻電感耦合放電激發(fā)方法產(chǎn)生等離子體，等離子體的成分含有激發(fā)態(tài)碳原子、碳?xì)浞肿?、氫原子以及摻雜的鎳原子和氮原子，等離子體的電子溫度在0.7-2eV。等離子體的噴口幾何形狀為圓形，面積為3-20厘米2。等離子體的運動軸線平行于水平方向，雷諾數(shù)為1200-2400,等離子體以運動軸線與襯底法線夾角為60°~90°的角度掠射襯底表面。襯底為單晶金剛石，其表面具有由難熔金屬形成的掩模，襯底的曝露晶面是（100)晶面，以機械鑲嵌或者真空釬焊的方式固定在具有水冷功能的難熔金屬襯底托架上，襯底的尺寸為1~6厘米2,襯底距等離子體噴口的距離為0.5~1.5厘米，襯底溫度在650°C~1300°C之間。反應(yīng)腔壓強在6000~18000Pa之間。[0006]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：[0007]本方法提供了一條除了微波法之外的、可以實現(xiàn)了鎳-氮摻雜金剛石制備的噴射射頻放電等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)途徑，實現(xiàn)了鎳-氮摻雜金剛石的規(guī)則分布生長，使摻雜金剛石的分布間距達(dá)到50ym的規(guī)則化分布?！靖綀D說明】[0008]圖1是射頻放電等離子體噴射沉積系統(tǒng)的示意圖，其中，石英管1、射頻線圈2、沉積腔3、等離子體4、水冷的襯底與支座5、真空泵組6。[0009]圖2是等離子體的成份隨掠射距離的變化結(jié)果。[0010]圖3是襯底表面Au掩模的掃描電子顯微鏡照片。[0011]圖4是QD-1樣品的掃描電子顯微鏡照片。[0012]圖5是QD-2樣品的掃描電子顯微鏡照片。[0013]圖6是QD-1樣品的能譜結(jié)果。[0014]圖7是QD-2樣品的能譜結(jié)果。[0015]圖8是QD-1樣品的拉曼譜結(jié)果。[0016]圖9是QD-2樣品的拉曼譜結(jié)果?！揪唧w實施方式】[0017]在圖1所示的噴射射頻放電等離子體沉積系統(tǒng)中，利用光發(fā)射譜測試了等離子體的成份隨掠射距離的變化情況，得到了圖2的結(jié)果，從中可見等離子體成分主要為碳、氫、氬、鎳和氮，各激發(fā)態(tài)原子以及原子組態(tài)在金剛石的生長區(qū)域中濃度穩(wěn)定。在（100)晶面為曝露晶面的單晶金剛石表面，采用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)制備了Au掩模，得到了圖3的結(jié)果，從結(jié)果中可以看到掩模上排布了間距為50ym的圓形沉積孔。進(jìn)行摻雜金剛石制備的沉積工藝參數(shù)見表1，所得到的摻雜金剛石的電子顯微形貌、能譜成分以及和拉曼(Raman)譜結(jié)果分別見圖4到圖9。[0018]表1制備摻雜金剛石的沉積參數(shù)。[0019]表1制備摻雜金剛石的沉積參數(shù)?！局鳈?quán)項】1.一種制備鎳-氮摻雜金剛石的射頻放電氣相沉積方法，其特征在于，鎳-氮摻雜金剛石是在射頻放電等離子體噴射化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行的；其中采用射頻電感耦合放電激發(fā)方法產(chǎn)生等離子體，等離子體的成分含有激發(fā)態(tài)碳原子、碳?xì)浞肿?、氫原子以及摻雜的鎳原子和氮原子，等離子體的電子溫度在0.7-2eV;等離子體的噴口幾何形狀為圓形，面積為3-20厘米2;等離子體的運動軸線平行于水平方向，雷諾數(shù)為1200-2400,等離子體以運動軸線與襯底法線夾角為60°~90°的角度掠射襯底表面；襯底為單晶金剛石，其表面具有由難熔金屬形成的掩模，襯底的曝露晶面是（100)晶面，以機械鑲嵌或者真空釬焊的方式固定在具有水冷功能的難熔金屬襯底托架上，襯底的尺寸為1~6厘米2,襯底距等離子體噴口的距離為0.5~1.5厘米，襯底溫度在650°C~1300°C之間，反應(yīng)腔壓強在6000~18000Pa之間?！緦＠恳环N制備鎳-氮摻雜金剛石的射頻放電氣相沉積方法，屬于金剛石氣相沉積制備
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。利用噴射的射頻放電等離子體來增強化學(xué)氣相沉積，實現(xiàn)鎳-氮摻雜金剛石制備。將射頻放電激發(fā)的等離子體以噴射的方式掠射襯底，通過調(diào)整工藝參數(shù)構(gòu)建出穩(wěn)定的等離子體邊界層，實現(xiàn)摻雜原子濃度的可控沉積；另一方面，利用射頻放電等離子體電場溫和的特點，來保證多原子組態(tài)構(gòu)型的穩(wěn)定性以及保持襯底上掩模材料規(guī)則花樣的完整性，從而實現(xiàn)摻雜原子的定位沉積。本方法可以滿足多原子組態(tài)摻雜的要求。優(yōu)點在于，實現(xiàn)了鎳-氮摻雜金剛石的規(guī)則分布生長，使摻雜金剛石的分布間距達(dá)到50μm的規(guī)則化分布?！綢PC分類】C23C16-505,C23C16-04,C23C16-22【公開號】CN104694907【申請?zhí)枴緾N201510097097【發(fā)明人】陳廣超,石彥超,李佳君,劉浩,左勇剛,白旸【申請人】中國科學(xué)院大學(xué)【公開日】2015年6月10日【申請日】2015年3月4日