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Creation of spin defects in the two-dimensional material boron nitride

Research Project

Project/Area Number 20K05352
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 30010:Crystal engineering-related
Research InstitutionNational Institutes for Quantum Science and Technology

Principal Investigator

Yamazaki Yuichi  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 上席研究員 (10595060)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松下 雄一郎  東京工業大学, 物質・情報卓越教育院, 特任准教授 (90762336)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywordsスピン欠陥 / 窒化ホウ素 / 高温イオン照射 / 光検出磁気共鳴 / hBN / イオン照射 / 二次元物質 / 複合欠陥 / ベリリウム / リチウム / 欠陥 / スピン操作 / 室温
Outline of Research at the Start

量子コンピューター、センサー等の量子技術を実現する上で半導体中のスピン欠陥は非常に重要である。本研究では、2次元材料である窒化ホウ素中に室温でスピン操作・読み出し可能な新規スピン欠陥の創製を目指す。研究は実験・理論両面の体系的なアプローチを実施する。具体的には、1. 理論検討による欠陥候補絞り込みを行い、2. 有力候補欠陥を実現するためのイオン照射実験を様々な条件で行い、それらの光学およびスピン特性を評価する。理論・実験両面の検討結果をまとめ、スピン欠陥生成に関する指針も提示したいと考えている。

Outline of Final Research Achievements

We optimized the formation conditions of boron vacancies (VB), one of the spin defects in the two-dimensional material boron nitride, and investigated new candidate of spin defects by theoretical calculations.
Two formation methods, high-temperature ion irradiation and room-temperature irradiation followed by post-annealing, were verified. Similar improvements were observed in optical and spin properties, as well as in the signal-to-noise ratio of the ODMR signal, which corresponds to sensor sensitivity. The zero-field splitting parameter E, which is a parameter related to crystal distortion, was clearly reduced by high-temperature ion irradiation at more than 600 °C. From the results, we concluded that high-temperature ion irradiation is a promising VB formation method with a low amount of crystal damage introduced. Substitutional defects of Cl (for N site) were extracted by theoretical calculations.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スピン欠陥は量子センサに応用可能であり、現在世界中で研究が行われている。スピン欠陥の特性は形成条件に大きく左右される。本研究によって、2次元材料窒化ホウ素中スピン欠陥についても、熱処理によって特性を改善可能であることが明らかとなった。量子センサを高性能化するために重要な知見である。新規スピン欠陥による高性能化も重要であり、欠陥候補を抽出できたことは、今後の探索研究に向けた有用な情報である。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Spin property improvement of boron vacancy defect in hexagonal boron nitride by thermal treatment2023

    • Author(s)
      T. Suzuki, Y. Yamazaki, T. Taniguchi, K. Watanabe, Y. Nishiya, Y.-i. Matsushita, K. Harii, Y. Masuyama, Y. Hijikata, and T. Ohshima
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 16 Issue: 3 Pages: 032006-032006

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acc442

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Methods of spin defect formation in hBN and their optical and spin properties2023

    • Author(s)
      Yuichi Yamazaki
    • Organizer
      International Workshop of Spin/Quantum Materials and Devices
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 六方晶窒化ホウ素中のスピン欠陥の光検出磁気共鳴評価2023

    • Author(s)
      Yuichi Yamazaki
    • Organizer
      第70回応用物理学会 春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Generation of boron vacancy defects in hexagonal boron nitride by high temperature ion irradiation2022

    • Author(s)
      Tetta Suzuki, Yuichi Yamazaki, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Yusuke Nishiya, Yu-ichiro Matsushita, Kazuya Harii, Yuta Masuyama, Yasuto Hijikata, Takeshi Ohshima
    • Organizer
      International conference on diamond and carbon materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高温イオン照射によるhBN中ホウ素空孔欠陥形成2022

    • Author(s)
      鈴木 哲太,山崎 雄一,谷口 尚,渡邊 賢司, 松下 雄一郎,増山 雄太,土方 泰斗,大島 武
    • Organizer
      春季応用物理学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 2次元薄膜h-BNのスピン欠陥形成及びその光学特性の測定2021

    • Author(s)
      鈴木 哲太,,山崎 雄一,谷口 尚,渡邊 賢司,松下 雄一郎, 針井 一哉,圓谷 志郎,増山 雄太,土方 泰斗,大島 武
    • Organizer
      秋季応用物理学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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