2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノNMRセンシングを可能とする高機能ダイヤモンド合成
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26249108
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
渡邊 幸志 独立行政法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (50392684)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30276414)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 材料工学 / 機能材料 / 微細構造 / 同位体ダイヤモンド / マイクロ波プラズマ / 量子センサ / 電子スピン / NMR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、単一プロトン検出に要求される磁場検出感度と空間分解能となる、ダイヤモンドNV ペアの表面近傍配置（5nm以下）とその電子スピン位相保持時間(T2＝45μs以上)を両立させるダイヤモンドの窒素ドーピングと極浅NV ペア形成技術を開発することである。初年度は、マイクロ波プラズマ発生システムに必要となる要件を検討・設計し、基礎データとなる、既存マイクロ波のスペクトル評価およびプラズマ分析装置を完備し、予備実験を行った。この結果、マイクロ波伝送の最適化の実現が有効となる可能性が確認された。加えて、ダイヤモンドの成長速度と不純物の取り込みに相関があることに着目し、成長速度制御因子となる以下2つの取り組みを実施した。
(1)ダイヤモンド（001）基板表面の微細溝加工
ダイヤモンド表面にデバイス作製技術を利用し、微細な溝構造を作りこむことによりプラズ発生条件を変化させることなく局所的な成長速度とNVペア濃度を増大させることができることがわかった。この微細構造の断面SIMSイメージ分析とCLマッピングを実施したところ、（溝成長/溝無成長）の速度比は４であり、溝構造周辺にはBand Aに相当する特徴的な分布を示す発光があることが明らかになった。この結果を受け最適条件模索のため様々な溝パターンの設計とダイヤモンド基板への加工を実施した。
(2)ダイヤモンド(111)基板への成長
(111)面のホモエピタキシャル成長で、基板加工処理と合成条件の組み合わせにより、(001)面成長に匹敵する約60nm/hの極低成長速度の制御に成功した。これまで高い成長速度のため品質とナノメートルオーダの膜厚制御に問題があったが、この技術により膜厚、品質だけでなく(111)基板特有のNV配向性を兼ね備えたシングルNVペア形成に有効になると期待される。今後系統的な窒素ドープおよびスピン寿命の評価を試みる。
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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
本課題の初年度に計画した、主要目標である、新規マイクロ波プラズマ発生システムの基本指針・設計を完了し、それに伴う基礎データの取得では、本計画の成否を左右する期待以上の成果を得ている。この結果により、本課題が極限成長の克服に非常に有効になることが期待され、高機能ダイヤモンド合成の突破口となる指針が確認されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に従って研究を推進してゆく。特に2年目の主目標である、新規マイクロ波システムを完成させ、極浅NVペア形成の指針を獲得する。また、当初の計画に加えて、初年度の成果をさらに深化させるため、溝構造、および特殊(111)基板の加工処理状況を見ながらエピタキシャル薄膜の検証を継続し研究を推進する。
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