本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料及量子，具體涉及一種利用紫外光(uv)調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、金剛石是一種載流子遷移率高、熱導(dǎo)率高、禁帶寬度大的新一代半導(dǎo)體材料，當(dāng)金剛石晶格中摻入雜質(zhì)原子，如氮原子或者硅原子的時候，將會形成晶體內(nèi)的發(fā)光中心。這些發(fā)光中心具有量子光源的特征，能夠應(yīng)用于量子計算、量子通訊以及量子探測，具有非常廣闊的應(yīng)用場景。其中的金剛石氮-空位中心(nv色心)具有熒光強度穩(wěn)定、電子自旋相干時間長、特征尺寸為原子級別的特點，是優(yōu)良的納米固態(tài)量子自旋傳感器。nv色心電子自旋量子態(tài)還與溫度場、電磁場等物理量具有耦合關(guān)系，基于這些耦合關(guān)系，科研人員在實驗上實現(xiàn)了對相關(guān)物理量納米級空間分辨率的高靈敏度表征，可用于量子傳感技術(shù)。nv色心具有中性及負電荷兩種狀態(tài)，在單一應(yīng)用中，通常只使用一種電荷態(tài)的nv色心，而另一種電荷態(tài)將作為背景熒光噪聲存在。然而，在激發(fā)狀態(tài)下，nv色心總是在中性電荷態(tài)(nv0)和負電荷態(tài)(nv-)之間轉(zhuǎn)變，這極大地限制了nv的應(yīng)用與可靠性。因此，nv色心的電荷態(tài)調(diào)控技術(shù)使得以nv色心為實驗載體實現(xiàn)固態(tài)量子信息處理成為可能，并為提高室溫固態(tài)量子傳感的性能提供了良好的理論基礎(chǔ)與實驗保證。以往nv色心電荷態(tài)的調(diào)控技術(shù)包括終端法以及肖特基接觸等方法，都是以接觸為條件，進行nv色心電荷態(tài)的調(diào)控，對量子傳感器本身——金剛石具有一定的破壞。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決調(diào)控nv色心兩種電荷態(tài)的難題，通過對含nv色心的金剛石施加紫外光作用，并觀察nv0和nv-兩種色心光譜強度在紫外作用前后的變化以證實電荷態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，提供了一種非接觸的光學(xué)調(diào)控金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法及其應(yīng)用。

2、本發(fā)明利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法按照以下步驟實現(xiàn)：

3、一、制備帶有氮空位色心金剛石；

4、二、以激光作為激發(fā)光源，對帶有色心的金剛石進行輻照；

5、三、在激光輻照條件下，同時施加紫外光源(uv)進行輻照，使中性電荷態(tài)nv0含量增加，從而完成利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法。

6、本發(fā)明利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法的應(yīng)用是制備固態(tài)量子自旋傳感器，該固態(tài)量子自旋傳感器包括帶有氮空位色心金剛石、激發(fā)光源和紫外光源，以激光作為激發(fā)光源，采用激光對帶有nv色心的金剛石進行激發(fā)，同時施加紫外光源(uv)進行輻照，通過對nv色心特征峰熒光強度的實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)對金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的調(diào)控。

7、本發(fā)明提供了一種新型的利用紫外光調(diào)控金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，該方法較以往的電荷態(tài)調(diào)控方法形式新穎，具有非接觸無破壞性的優(yōu)點，同時在保證晶體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)實時調(diào)控。

8、本發(fā)明利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法及其應(yīng)用包括如下有益效果：

9、1、本發(fā)明通過外加uv作用，實時對金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)進行調(diào)控，相比于終端法和肖特基接觸的方法，工藝流程簡單，所用設(shè)備成本更低。能有效推進基于金剛石色心的應(yīng)用研究。

10、2、本發(fā)明是通過紫外光輻照的方式對nv色心電荷態(tài)進行調(diào)控，與終端法和肖特基接觸法相比具有非接觸、無破壞性的特點，能夠更好的保證晶體質(zhì)量。本發(fā)明利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法能夠推進nv色心在量子精密測量以及可擴展性量子系統(tǒng)的應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于該調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法按照以下步驟實現(xiàn)：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟一中帶有氮空位色心金剛石中色心的濃度為400ppb～20ppm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟一中制備帶有氮空位色心金剛石的過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟b中使?jié)崈舻慕饎偸椎臏囟冗_到700～850℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟d中在cvd生長過程中，控制氫氣流量為200～400sccm，甲烷流量為4～32sccm，摻雜元素氣體氮氣流量為0.01～1sccm。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟d中進行cvd生長時間為1～10小時。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟二中激光的波長為532nm，能量為0.05～5mw。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟三中紫外光源發(fā)出的紫外光的波長為200～380nm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法，其特征在于步驟三中施加紫外光源進行輻照的時間為100～300s。

10.如權(quán)利要求1所述的利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法的應(yīng)用，其特征在于利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法的應(yīng)用是制備固態(tài)量子自旋傳感器，該固態(tài)量子自旋傳感器包括帶有氮空位色心金剛石、激發(fā)光源和紫外光源，以激光作為激發(fā)光源，采用激光對帶有nv色心的金剛石進行激發(fā)，同時施加紫外光源進行輻照以對金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)進行調(diào)控。

技術(shù)總結(jié)
利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法及其應(yīng)用，本發(fā)明是為了解決調(diào)控NV色心兩種電荷態(tài)的難題。利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法：一、制備帶有氮空位色心金剛石；二、以激光作為激發(fā)光源，對帶有色心的金剛石進行輻照；三、在激光輻照條件下，同時施加紫外光源進行輻照，使中性電荷態(tài)NV<supgt;0</supgt;含量增加，從而完成利用紫外光調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法。本發(fā)明通過紫外光輻照的方式對NV色心電荷態(tài)進行調(diào)控，與終端法和肖特基接觸法相比具有非接觸、無破壞性的特點，能夠更好的保證晶體質(zhì)量。本發(fā)明調(diào)節(jié)金剛石固態(tài)量子自旋電荷態(tài)的方法能夠推進NV色心在量子精密測量以及可擴展性量子系統(tǒng)的應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：張森,陳鉆權(quán),劉本建,趙繼文,郝曉斌,李一村,劉康,代兵,朱嘉琦,韓杰才
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2