Development of a method to generate and measure nano quantum sensors on diamond surfaces

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K13866
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Kanazawa University (2022-2023); Kyoto University (2021)
• Principal Investigator: Hayashi Kan 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 助教 (50826691)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / 窒素ー空孔ペア / 量子センサ / レーザー加工 / 炭素固溶反応

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aimed to fabricate surface NV centers with nanoscale resolution using femtosecond laser and diamond lateral growth technique. As a result, the femtosecond laser can be used for processing with a depth of 0.2 nm and a width of ~100 nm, and for the generation of NV centers in diamond nanoparticles. In addition, by using Ni nanoparticles, line ething with a width of 30 nm is possible. We have also developed a technique for diamond layers growth with very low NV center fluorescence on diamond (111) by using lateral growth technique.

Free Research Field

ワイドバンドギャップ半導体

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

フェムト秒レーザーによる加工手法において、これまでダイヤモンド表面の100 nm領域のみを選択的に、1バイレイヤー深さで剥がす技術はこれまで存在せず、他の加工と比べても特に深さ方向においてはダイヤモンド(111)表面における最小単位での加工分解能を達成した。また、Niによる加工においては、これまで明らかとされていなかったナノスケールでの
Niのダイヤモンドエッチング挙動を明らかにするとともに、ダイヤモンド表面においてはじめて1次元ピットの生成を可能とした。これらの成果は今後のダイヤモンド半導体や量子デバイスの発展に欠かせないナノ局所ドーピング手法の開発に繋がる重要な一歩となった。