2021 Fiscal Year Annual Research Report
Defect engineering by spatiotemporally controlled light pulse
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20H02656
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
下間 靖彦 京都大学, 工学研究科, 准教授 (40378807)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 結晶 / 欠陥 / レーザー / 量子センサ / ダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の核心をなす学術的「問い」である、超短パルスレーザーの光と結晶との相互作用、特に欠陥構造形成と相変化に関する基礎学理の構築を達成するため、照射レーザーのパルス幅およびパルス数と、ダイヤモンド内に形成される不純物窒素と空孔により形成されるNVセンター（以下、NV）の形成量の関係を明らかにした。特に、フェムト秒ダブルパルス列照射によるNV形成量の増加現象、NV形成量に対するレーザーパルス繰り返し周波数の効果を明らかにした。本年度は、特に、ダイヤモンド中の不純物窒素濃度による影響に加え、照射レーザーパルス数とNV形成量の相関を調べ、NV形成の効率化と形成メカニズム解明を試みた。不純物窒素濃度が異なる2種類のダイヤモンド試料（Ib型：N濃度100 ppm、IIa型：N濃度1 ppm）にフェムト秒レーザーパルスを集光照射した。レーザー照射部に形成したNV欠陥の濃度は、共焦点光学顕微鏡を用いて測定した単一ＮＶ由来のPL強度（640 ~ 660 nm）により規格化して算出した。次に、同一パルスエネルギー（100 nJ）とし、照射パルス数を変化させたところ、照射パルス数の増加に伴いPL強度は線形に増加したが、10^8パルス以上で傾きが緩やかになった。六角位置の２つの空孔と２つの格子間炭素による複合欠陥と推測されるTR12中心由来のPLピークが観察され、その強度は集光部の中心に近づくほど増加しており、集光部の中心から周囲に不純物窒素が拡散した結果、集光部の中心領域では、NVが減少、TR12が増加したためと考えられた。
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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
ダイヤモンド結晶内のNV中心を量子センサデバイスとして応用するためには、NV中心を電界発光させることが重要課題である。現在のところ、超短パルスレーザーをダイヤモンド内部に集光照射することによる、NV中心形成において、グラファイト化を起こすことなくNV中心を形成させるためには、熱処理による後工程が必要不可欠である。このため、本研究では、（１）ダイヤモンド結晶内部のNV中心形成において、フェムト秒レーザー光のパルス幅やパルスエネルギーがNV中心の形成過程にどのように関わっているのかを明らかにする、（２）ダイヤモンド結晶内部のグラファイト化において、フェムト秒レーザー光のパルス幅やパルスエネルギーがどのように関わっているのかを電子状態の観点から解明する、（３）１、２で得られた知見に基づき、量子センシングデバイス実現のため、ダイヤモンド結晶内にNV中心と導電構造の両方を空間的に位置制御して一括形成する手法を確立する、以上の３項目を目的としている。本年度は、ダイヤモンド中の不純物窒素濃度による影響に加え、照射レーザーパルス数とNV形成量の相関を調べ、NV形成の効率化と形成メカニズム解明を試みた。高濃度のＮＶ形成のためには、低パルス数かつ低パルスエネルギーのフェムト秒レーザー照射条件が適していることが示唆された。今後は、レーザー照射中の挙動（欠陥形成による対称性の破れに由来したＳＨＧ発生とＮＶ欠陥由来の発光）を時間分解観測することで、NV中心形成ダイナミックスの解明につなげる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回明らかとなったレーザー照射条件とNV中心形成量の変化に関して、場合によっては、NV中心が他の欠陥種に変化することが明らかになった。量子センサ応用には高濃度のＮＶ中心の形成が必須であるため、最終年度は、レーザー照射中の挙動の時間分解観測によって、NV中心形成ダイナミックスを解明し、10^17cm-3オーダーのNV中心形成を目指す。さらに、これまでに得られたNV欠陥形成とグラファイト化の条件に基づき、量子センシングデバイス実現のため、ダイヤモンド結晶内にNV中心と導電構造の両方を空間的に位置制御して一括形成を試みる。また、NV中心の電界発光の評価を試みるとともに、デバイス構造の最適化を行う。
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