2021 Fiscal Year Research-status Report
IV族元素を用いたダイヤモンド発光センターの作製および応用に関する研究
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20K05363
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中尾 基 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (70336816)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
犬伏 俊郎 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (20213142) [Withdrawn]
小松 直樹 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (30253008)
長町 信治 滋賀医科大学, 神経難病研究センター, 客員教授 (80447002)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / カラーセンター / 発光 / イオン注入 / 空孔導入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンドの構造の一部であるカラーセンターは、炭素由来であり、化学的に安定していることから、生体用蛍光イメージングや高度なセンシング技術への応用が期待されている。しかしながら、カラーセンター導入には、ダイヤモンドへの空孔と不純物の導入後に高温高圧での処理を行う必要がある。
本研究では今年度、熱フィラメントＣＶＤ法によるダイヤモンド薄膜形成時に不純物元素を導入することと、Heイオン注入による空孔のみを導入することとをそれぞれの導入方法で分けることで、ダイヤモンド結晶構造の維持とカラーセンターの形成を試み、またＳｉ以外の他のⅣ族元素であるＧｅ、Ｓｎ、Ｐｂを当該手法に確立することも試みた。
結果として、導入元素の導入方法をＨＦＣＶＤ法により、カラーセンターに必要な空孔をＨｅイオン注入により分けて行うことで、ダイヤモンド構造を大きく破壊せずにカラーセンターを形成することができた。これにより、ダイヤモンド構造を再構築するための高温高圧での処理が不要となり、低温での真空アニール後に格子間から表面に出てくる炭素膜においても、大気アニール処理により除去することが確認できた。さらに、空孔の導入・移動によりカラーセンター発光の増加が見られた、また、Ｐｂ由来のカラーセンター（ＰｂＶセンター）、ＳｉＶセンター、およびＧｅＶセンターにおいては、空孔の挙動と大きく関わりのあるカラーセンター発光であることが示唆された。さらに、ＳｎＶセンターにおいてもカラーセンター発光が確認できたことより、本研究でターゲットとしているⅣ族元素によるカラーセンターの実現を確認することができた。
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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
本研究の目的は、次の通り定めている。
１． Ⅳ族元素と空孔からなる発光センターを効率よく高濃度、高収率で生成する手法を開発する
２． その要点は、不純物原子の導入と空孔の導入は独立した工程により、それぞれ最適な条件でおこなう
３． 不純物の導入は基板からの拡散、原料ガスへの混合等いくつかの手法で行い、空孔の導入は高エネルギー（ＭｅＶ程度かそれ以上）の軽イオン、あるいは電子線の照射により発生する空孔がお互いに独立した位置にあり、空孔同士の相互作用が発生する可能性の少ない条件を選択する
４． この手法により作製した、ＳｉＶセンター、ＧｅＶセンター、ＳｎＶセンター、およびＰｂＶセンターの含有ダイヤモンドによる、生体イメージング用試薬、磁気センサー、温度センサー、および量子ビット等の基材として特性を評価する
初年度（令和2年度）、２年目（令和3年度）において、すでに１～４の項目のほとんどを実現しており、残すはナノ粒子化されたダイヤモンドでのカラーセンターの発光を向上させ、様々なアプリケーションへの可能性に道を開くことである。メインターゲットとして、発光強度が抜群に大きく、かつ取扱い等に優れているＳｉＶカラーセンターに絞り、①ダイヤモンド薄膜へのＳｉ元素の導入方法の再検討、②空孔導入のためのイオン注入条件の更なる最適化、さらに③初年次に構築されたナノ粒子化技術を組み合わせることで、目的が達成されると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題名は、IV族元素を用いたダイヤモンド発光センターの作製および応用に関する研究である。
令和２年度（初年度）にIV族元素の代表であるシリコン元素でのダイヤモンド発光センターの特性について、熱フィラメントCVD装置の改造を行い、カラーセンター発光特性をもつダイヤモンド薄膜形成の製膜条件のプロセスウインドウを大きく増大させることができた。また、形成したダイヤモンド薄膜を基板から剥離すること、かつマイクロ粒子化、サブマイクロ粒子化することに成功している。
令和３年度（２年目）には、イオン注入による空孔導入を独立のプロセスで実施し、カラーセンター発光強度の増大が確認された。さらに、他のIV族元素であるGe、Sn、およびPbについてのダイヤモンド発光センターを探索し、初年次技術と二年目技術とを融合させることにより、すべての発光を実現した。
令和４年度（３年目）においては、発光強度が抜群に大きく、かつ取扱い等に優れて、様々な新たなアプリケーションへの道が近い考えられるＳｉＶカラーセンターに注目し、不純物元素（Ｓｉ）の導入方法の再検討、ダイヤモンド製膜条件のさらなる最適化、イオン注入による空孔導入およびアニール条件の最適化を、初年次に確立したダイヤモンド薄膜の剥離技術および粉砕技術と同時に実施することにより、ＳｉＶカラーセンターを有するダイヤモンドナノ粒子からの強靭な発光を実現する。
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| Causes of Carryover |
令和３年度（２年目）に、ダイヤモンド薄膜中の不純物元素の濃度分布測定を実施する予定であったが、他の研究内容に注力したため、実施できなかった。このダイヤモンド薄膜中の不純物元素の濃度分布測定を令和４年度（３年目、最終年度）に実施する。
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Research Products
(2 results)
