中國粉體網(wǎng)訊 近日，中南鉆石有限公司和中國電科第十三研究所在《物理學(xué)報》發(fā)表了題為“MPCVD法制備高濃度金剛石NV色心及其性能研究”的研究文章。文章指出MPCVD法可在金剛石中定量摻雜高濃度氮元素，經(jīng)電子輻照后金剛石NV色心濃度顯著提高，并具有良好的量子磁探測性能。
研究背景
金剛石氮-空位（NV）色心在室溫下穩(wěn)定性好，電子自旋相干時間長，能被激光和微波操控，是量子探測領(lǐng)域最具潛力的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對磁場、電場、溫度、應(yīng)力等物理量的精密測量。
近十年來，關(guān)于NV色心的自旋操控一直是研究熱點。在弱磁測量方面，利用NV色心的測量方法靈敏度比一般磁場測量儀器的靈敏度更高。在量子計算方面，基于NV色心系統(tǒng)，其相干時間長且室溫可操作，可顯著減少計算時間。通過NV色心的光纖傳感器，可測量細(xì)胞溫度、檢測磁性納米顆粒的濃度。
在單個NV色心或NV色心濃度較低時，對溫度、磁場、電場的變化反應(yīng)不夠靈敏，對測量設(shè)備要求較高，在一定范圍內(nèi)，NV色心濃度越高，均勻性越好，對物理量的檢測靈敏度越高。然而，采用MPCVD方法制備高氮金剛石面臨著較多的生長問題，同時，氮原子實際摻雜量尚未經(jīng)過系統(tǒng)研究。因此文章對采用MPCVD法在金剛石單晶中摻雜足夠濃度的氮原子以形成高濃度NV色心進(jìn)行了深入研究。
主要結(jié)論
該研究采用的襯底為中南鉆石公司生產(chǎn)的（100）晶面CVD金剛石單晶，尺寸約為11mm×11mm。
1）氮含量逐漸增加，金剛石單晶樣品的顏色逐漸由淺棕色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?/p>
2）實際摻雜進(jìn)入金剛石單晶晶格中的氮含量遠(yuǎn)低于前驅(qū)體氣體中氮含量，二者比例約為1:11，隨著氮含量的增加，氮更容易引入到金剛石單晶晶格中。
3）紅外光譜表明，HPHT法制備的高氮金剛石中氮原子主要以C心氮為主，A心氮含量較低，而MPCVD法制備的高氮金剛石空位缺陷含量較高，C心氮含量較低，幾乎無A心氮，大部分的氮原子以聚集態(tài)的氮片晶和N+形式存在。
金剛石單晶樣品紅外光譜
4）高氮含量的金剛石單晶輻照后NV色心的熒光強度提升了近70倍，采用光探測磁共振系統(tǒng)對輻照后金剛石單晶樣品進(jìn)行表征，其熒光強度分布較為均勻，材料具有較好的微波自旋操縱性，縱向弛豫時間約為3.37ms。
（a）測試示意圖；（b）熒光Mapping；（c）不同微波功率下的ODMR曲線；
（d）施加偏置磁場后的ODMR曲線；（e）拉比震蕩曲線；（f）縱向弛豫時間
關(guān)于中南鉆石
中南鉆石有限公司是豫西集團(tuán)控股上市公司中兵紅箭（股票代碼000519）的全資子公司。公司是世界最大的超硬材料科研、生產(chǎn)基地，產(chǎn)品主要應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域、消費領(lǐng)域及金剛石功能化應(yīng)用領(lǐng)域，是全球少數(shù)同時掌握高溫高壓（HPHT）和化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）兩種金剛石單晶制備技術(shù)的制造商。
傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要產(chǎn)品有工業(yè)金剛石、大尺度多晶金剛石、立方氮化硼、超硬復(fù)合材料、石墨制品等，已出口到歐美、印度、日本、韓國等40多個國家和地區(qū)，產(chǎn)銷量和市場占有率雄居全球第一；在消費領(lǐng)域，公司成功實現(xiàn)了寶石級培育鉆石的規(guī)模化生產(chǎn)，打破了國外巨頭對鉆石飾品領(lǐng)域主流原材料的壟斷，使我國在培育鉆石領(lǐng)域領(lǐng)跑全球；在金剛石功能化應(yīng)用領(lǐng)域，主要產(chǎn)品包括CVD/HPHT半導(dǎo)體級金剛石單晶片、金剛石窗口、金剛石散熱片、金剛石/金屬復(fù)合材料等，已在高新技術(shù)等領(lǐng)域開展推廣應(yīng)用。
中南鉆石公司功能金剛石產(chǎn)品
公司擁有國家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心、國家認(rèn)可超硬材料檢測中心，是“國家級高新技術(shù)企業(yè)”、“國家技術(shù)創(chuàng)新示范企業(yè)”和“河南省創(chuàng)新龍頭企業(yè)”，是中國超硬材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要制訂者，成功入選工信部第一批制造業(yè)單項冠軍示范企業(yè)。
參考來源：
1.中南鉆石官網(wǎng)
2.劉厚盛等．MPCVD法制備高濃度金剛石NV色心及其性能研究.物理學(xué)報
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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