2021 Fiscal Year Annual Research Report
Control of charge and strain of diamond crystal and elucidation of limiting factor of electron spin coherence time
| Project/Area Number |
20H02187
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
寺地 徳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (50332747)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | ダイヤモンド / 結晶成長 / 不純物制御 / 固体量子 / 発光センタ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、研究項目を「極微量不純物不純物ドーピング制御によるT2律速要因の解明」と「歪・転位制御によるT2律速要因の解明」の2つに分けて実施している。
前者については、R3年度は昨年度設計・製作した低マイクロ波出力型CVD装置を用いてダイヤモンド薄膜を成長した。IIa型高純度(100)基板の上に窒素（15N）濃度が1~10ppbとなるように窒素添加したダイヤモンド薄膜をホモエピタキシャル成長し、NVセンタの特性評価を行った。As-grownサンプルではNVセンタと推測される発光点が見られなかったが、高温真空熱処理後に単一発光が現れた。ラビ振動が観測されていることからNV-センタであること、またパルスODMR測定から2本の共鳴周波数が現れたことからNVセンタの窒素はスピン数が1/2の15Nを有することが明らかになった。しかしながらこのサンプルのT2測定データが単調減衰ではなく周期的な信号となっており、T2の見積もりができなかった。本課題については、今後単純な高純度層/NVセンタ層からなる2層構造ではなく、NV層の厚みが徐々に変化する構造を作製することで、NVセンタを安定化させT2計測を実施することを計画する。
後者については、R3年度は結晶歪がT2や発光ブリンキングに与える影響を調べた。T2と歪の相関は明確に表れなかったが、PLEの線幅から推測される歪とT2*に反比例の相関が見られた。発光ブリンキングについては、下地基板の結晶性の分布程度であれば影響を及ぼさないことが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で実施している2つの研究課題について、計画通りの成果が得られている。「極微量不純物不純物ドーピング制御によるT2律速要因の解明」については、NV-センタ層濃度制御を1-10ppbの範囲で行える窒素ドーピング法が凡そ確立した。NVセンタのブリンキングは抑制され、ラビ振動やパルスODMRも再現性良く測定できるようになった。しかしながらT2測定データが単調減少とならず、サンプルの更なる改善が必要であることが明らかになった。「歪・転位制御によるT2律速要因の解明」については、当初予定をしていなかった歪とT2＊の相関を明らかにすることができた。
本成果に関連した成果が査読付き国際論文誌（オリジナル論文）として2本出版された。1件はブリンキングに関連するNVセンタの負電荷決定要因を平衡方程式で記述するものである。またもう一本は極微量ホウ素ドープ薄膜中で形成されたNVセンタの負電荷安定性に関する論文であり、局所窒素ドーピングのために負電荷安定性が保たれるという内容である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度に開発した高品質ダイヤモンド成長条件をベースにして、研究を遂行する。課題「極微量不純物不純物ドーピング制御によるT2律速要因の解明」に関しては、NV層の厚みが徐々に変化する構造を作製することで、NVセンタを安定化させT2計測を実施する。
課題「歪・転位制御によるT2律速要因の解明」に関しては、薄膜成長の下地基板に結晶性の異なるダイヤモンド結晶を用い、基板の結晶性がT2に及ぼす影響を調べる。併せて、薄膜内部に形成される転位の評価を行い、高品質領域と転位近傍とでT2がどのように変化するかを調べる。
|
