2023 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration for quntum functions of hexagonal Boron Nitride by their defect control
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23H02052
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
谷口 尚 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, センター長 (80354413)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増山 雄太 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, 主任研究員 (00814790)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 窒化ホウ素 / 高圧合成 / 同位体濃縮 / 量子センシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高純度窒化ホウ素（BN）単結晶への欠陥形成による新たな機能発現として、六方晶窒化ホウ素（hBN） 及び立方晶窒化ホウ素（cBN）単結晶によるスピン欠陥等の開拓・制御手法を確立することである。2023年度はhBN結晶の不純物制御の高度化のため、これまで用いてきたバリウム系結晶育成溶媒の改良を行った。アジ化バリウム（Ba(N3)2）、窒化バリウム（Ba2N）をこれまでの溶媒系（Ba3N2）に添加し、得られた結晶のバンド端発光特性との相間を明らかにした。前者のアジ化バリウム添加では試薬の水和状態による影響が顕在した。Ba2N添加での結晶成長による評価は次年度の課題である。
hBNカラーセンターの量子応用として結晶への炭素ドーピングとホウ素欠損（VB）がカラーセンターの候補となる。この際、欠陥のスピン感受性(磁気感度)に影響を及ぼすスピンバスとしてBN結晶自体のホウ素と窒素元素由来の核スピンの制御が課題として上げられてきた 。窒素の安定同位体には14N と15N があり、14N の天然組成比は99.6％である。14N の核スピンはスピン1 であるのに対して15N の核スピンはスピン1/2 であり，スピン準位の影響を低減するために15N を濃縮したhBN結晶を合成し、ホウ素欠損（VB）を有するhBN結晶の評価を行った。N15N 濃縮したNH4ClとNaBH4試薬の複分解反応による15N濃縮hBNを合成した。2023年度の評価では、hB15N結晶において光検出磁気共鳴（ODMR：Optically detected magnetic resonance）信号の顕著な改善(磁気感度向)が認められた。上記研究で得られた結晶は100μm程度であるが、当該粒子を原料として金属溶媒による結晶成長を行うことで1mm程度の同位体濃縮hBN単結晶(h10B15N) を合成した。
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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
六方晶窒化ホウ素のスピン関連欠陥はポストNVダイヤモンド等の量子センシングのプラットフォームとして国内外で研究開発が進んでいる。窒化ホウ素の構成元素であるホウ素と窒素の同位体組成の制御は核スピン状態の制御で重要であり、良質単結晶においてホウ素と窒素の同位対制御により量子センサーとしての磁気感度の向上が期待できる。2023年度の取り組みにおいて窒素同位体を15N に置き換えることでhBN中のホウ素空孔由来の磁気センシング感度の向上を世界で初めて明らかにした。更にホウ素同位体(10b)の高純度化にも成功した。
カラーセンターの蛍光の分析では、ノンドープ・ドープcBNに電子線照射を行い、そこで生成されたカラーセンターのUV蛍光スペクトラムを計測した。また、BeドープのcBNにおいて、特徴的な蛍光スペクトラムを観測した。
光検出磁気共鳴（ODMR）では、密度汎関数理論による数値計算を行い、cBNの1+の電荷を持つボロン空孔のゼロ磁場分裂が3974, 1324 MHzという予測結果を得た。
この数値計算の予測に従い、ODMRによる磁気共鳴の検出を試みたが、マイクロ波帯を幅広く探索したが、磁気共鳴の検出は出来ていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
hBN中の窒素同位体(15N)の制御とホウ素同位体(10B)の高純度化に成功した上で、1mmを越える良質単結晶の成長を目指す。すなわち、相当量の同位体濃縮結晶試料(グラムオーダー）を進め、育成溶媒を活用した単結晶成長を行う。得られた結晶の磁気感度特性の評価を行うと共に、hBN中の未知のカラーセンターの開拓も目指す。また、圧力を適切に制御して立方晶窒化ホウ素単結晶を合成し、新規カラーセンターの開拓を目指す。
カラーセンターの蛍光の分析ではBeドープのcBNにおいて観測した特徴的な蛍光スペクトラムの理論家と協力して理解を進める。光検出磁気共鳴（ODMR）では磁気共鳴の検出は出来ていない理由として考えられるのは、ODMRコントラストが小さい（1%未満）か、数値計算に誤りがある、である。まずは、ODMRコントラストが小さいために、ノイズに埋もれていると仮定して、よりノイズレベルが小さい測定系を準備して、磁気共鳴の検出を試みる。具体的には、ロックインアンプによるODMRを測定系を構築して、その測定系での計測を行う。
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[Journal Article] Phonon-enhanced nonlinearities in hexagonal boron nitride.2023
Author(s)
Jared S. Ginsberg, M. Mehdi Jadidi, Jin Zhang, Cecilia Y. Chen, Nicolas Tancogne-Dejean, Sang Hoon Chae, Gauri N. Patwardhan, Lede Xian, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone, Angel Rubio, Alexander L. Gaeta.
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Journal Title
Nat.Commun.
Volume: 14
Pages: 7685 1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Dielectric Environment Sensitivity of Carbon Centers in Hexagonal Boron Nitride2023
Author(s)
Danis I. Badrtdinov, Carlos Rodriguez Fernandez, Magdalena Grzeszczyk, Zhizhan Qiu, Kristina Vaklinova, Pengru Huang, Alexander Hampel, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Lu Jiong, Marek Potemski, Cyrus E. Dreyer, Maciej Koperski, Malte Rosner
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Journal Title
Small
Volume: 19
Pages: 2300144
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Liquid-activated quantum emission from pristine hexagonal boron nitride for nanofluidic sensing.2023
Author(s)
Nathan Ronceray, Yi You, Evgenii Glushkov, Martina Lihter, Benjamin Rehl, Tzu-Heng Chen, Gwang-Hyeon Nam, Fanny Borza, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Sylvie Roke, Ashok Keerthi, Jean Comtet, Boya Radha, Aleksandra Radenovic
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 22
Pages: 1236-1242
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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