2021 Fiscal Year Research-status Report
2次元材料窒化ホウ素への室温でスピン操作・読み出し可能な新規スピン欠陥の創製
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20K05352
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
山崎 雄一 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 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (10595060)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | hBN / スピン欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験については高温イオン照射によるボロン空孔(VB)形成によるスピン特性改善、LiおよびClイオン照射による異種元素置換型スピン欠陥の作成および光学特性評価を行なった。
イオン照射は一般的に目的の欠陥だけでなく様々な不要欠陥も同時に導入されてしまう。熱処理は不要欠陥を除去する最も簡便な方法であることが知られている。そこで、室温イオン照射後の熱処理および高温イオン照射によるVB形成を行い、光学・スピン特性への影響を調べた。その結果、高温イオン照射では100℃以上高温でのVB形成が可能であることがわかった。スピン特性の一つの指標である光検出磁気共鳴信号コントラストが向上するとともに、結晶歪みを反映するパラメーターであるゼロ磁場分裂項Eを大きく改善することができた。本成果については論文投稿準備中である。
去年度および今年度の理論検討から(後述参照)、多くの候補元素が挙げられた。その中から、陽・陰イオンの関係(ボロンサイトには陽イオン、窒素サイトには陰イオンが入りやすい)および使用加速器の元素制限を考慮して、LiおよびClイオン照射による異種元素置換型スピン欠陥形成実験を行なった。Liの場合、発光スペクトルには既知のピークしか観察されなかったが、Clにおいて未報告のピークが認められた。
理論検討については、去年度の第二周期元素に引き続き、第三周期元素の置換型欠陥の検討を行なった。選別条件は、1. スピン数が1以上、2. 電子準位ギャップが1eV以上、3. 荷電状態が1-, 0, 1+、の3つを課した。理論計算の結果、ボロンサイトではNa(0→荷電状態、以下同)、P(0)、窒素サイトではAl(0, 2+)、S(2-)、Cl(2-, 1-, 0)、Ar(2-, 1-, 1+)をそれぞれ有力候補として抽出することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験側については、以下の2点により概ね順調に進展していると判断している。
1. ボロン空孔(VB)の形成条件の最適化を行なった結果、高温イオン照射という新規方法により、スピン特性の改善だけでなく、結晶性の改善を示唆するデータも得られたこと、また、今後の量子センシング研究に向けた準備が整ったこと。
2. 理論検討で抽出した有力な異種元素置換型スピン欠陥候補の内、LiおよびClイオン照射実験を行い、後者において未知の発光ピークが得られたこと。
理論側については、第三周期元素まで網羅的に検討を行う、第三周期において多くの候補を抽出することができた点から、計画どおりに進展していると判断している。
以上から、研究全体としては、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験側については、ボロン空孔(VB)を用いた量子センシングを行う予定である。具体的には、電界検出に挑戦する。これは、すでに磁場、温度、圧力については報告されていること、また量子センサによる電界検出はダイヤモンドの窒素-空孔複合欠陥(NVセンター)でのみ成功しており、他のスピン欠陥、特にFET等の絶縁膜としての使用実績のあるhBN中スピン欠陥で電界検出ができることは学術的、実用的にもインパクトがあると考えているためである。
異種元素置換型スピン欠陥探索については、今年度実験で確認されたClイオン照射による道の発光ピークに着目し、スピン欠陥であるかどうかの検証を行う。
理論側については、複合欠陥の検討を行う予定である。最近、いくつかの複合欠陥とされるスピン欠陥の発見が報告されており、我々も検討を開始する。
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| Causes of Carryover |
予定していた学会参加を取りやめたため、その分を来年度の旅費に充当する。
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