【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法。
技术介绍
1、金刚石具有许多非凡的物理和化学特性。诸如极高的硬度、导热性和抗反应性等机械特性几个世纪以来一直是众所周知的，并在许多应用中使用。
2、自20世纪70年代以来，人们一直在研究金刚石的光学特性，但随着通过化学气相沉积(cvd)进行纳米结构化和生产金刚石的新方法的出现，最近在纳米光学和纳米光子学中开辟出令人兴奋的新研究和应用领域。
3、如今，能够以高同位素纯度合成具有无核自旋碳原子(12c)和特定晶体缺陷的金刚石。
4、特别地，对杂质原子的性质和浓度的控制为赋予金刚石专用的光学和电子属性提供了新的可能性。
5、量子技术特别受益于金刚石的非凡性能。在此，量子技术包括三大领域：量子计算、量子加密和量子感测。
6、物理量的精确检测是所有自然科学的基础，并且是几乎所有技术发展的必要前提和驱动力。尽管经典的传感器原理目前正在精细化、小型化和组合化，但可以预见的是，就此无法实现迄今为止已经实现的诸如灵敏度和特异性等关键参数的决定性增加。另一方面，诸如相干、叠加和纠缠等量子现象可用于以迄今为止未实现的精度来确定诸如压力、温度、位置、时间和运动或加速度、方位、重力或电场和磁场等变量。在此，量子传感器利用不同的量子系统，每个量子系统都有特定的优势。
7、这种量子系统可以借助于金刚石中的特定缺陷(被称为色心)来实现。这种色心例如是金刚石中的氮缺陷中心。氮缺陷中心(nv中心)是由金刚石中的氮原子和碳缺陷组成的原
8、在经典计算机中，信息被分解为位序列。在此，一个位可以出现两种可区分的状态，通常被表示为0和1或“开”和“关”。同样的原理也可用于量子力学系统。然而，应注意的是，在量子系统中，如果两个状态在至少一个量子数上不同，则它们被认为是可区分的。经典信息技术和量子力学信息技术之间的主要区别在于，在量子力学情况下，系统不一定处于0和1的两种状态中的一者中。相反，它可以处于叠加状态，即，两种状态的线性组合。在本专利技术的上下文中，这种量子信息的单位以及量子信息本身被称为“量子位”。
9、因此，与当今计算机的经典位相比，量子位可以处理更多的信息，从而为具有前所未有的计算能力的计算机提供了潜力。特别是这种量子位的产生目前是科学界正在投入大量研究的一个课题。科学家们正在寻找产生量子位并根据量子定律将它们相互连接成计算单元的最佳方法。
10、如同在量子感测领域中，金刚石中的nv中心特别是量子位发展的重点，从而也是量子计算发展的重点。这种基于固态的量子系统相对于替代的量子位系统具有一些优点。与被保持在精心设计的真空阱中以用于隔离的原子和离子相比，实验的实施更简单。较长的电子自旋相干时间使nv中心从诸如半导体量子点和超导体等其他固态系统中脱颖而出。这是由于几乎无核自旋的矩阵和由金刚石的高的德拜温度导致的电子与晶格光子状态的低耦合。另一个优点是带负电荷的nv中心(nv-)即使在室温下也具有这些自旋特性，这使得可以考虑在常规条件下操作量子设备。此外，具有核自旋的碳核(13c)不仅代表退相干源，而且在低浓度下也可有用地用于量子技术应用。
11、然而，各个近表面(near-surface)的色心(例如，nv中心)的有针对性(确定性)的产生和精确定位是具有挑战性的。一旦制成，它们就无法移动。
12、例如，从us 7,122,837 b2已知了通过在金刚石生长的同时引入氮或通过在金刚石生长完成之后注入氮来产生nv中心。该过程还可用于诸如氢、硼、磷和碳等其他类型的原子，以制造特定的色心。然而，由此实现的从注入的氮到nv中心的转化率非常低。
13、从ep 3 098 335 b1已知了通过掺杂例如磷、砷、硫或硼-氢复合物来将金刚石中的nv中心的电荷稳定性调节为非常高。然而，由此并不能解决转化率极低的问题。
14、近表面的色心(例如，nv中心)可以通过使用“慢”的低能离子照射(即，所谓的浅注入)来产生。然而，与高动能的辐射相比，在低能离子的情况下，转化率只有百分之几，如同us 7 122 837 b2和ep 3 098 335 b1的方法。因此，在此需要注入20-50个离子，以产生近表面nv中心。这种低效率导致了金刚石内部的许多缺陷，并干扰了nv中心的特性。
技术实现思路
1、因此，本专利技术的目的是提供一种可以实现引入的离子到色心的高转化率的方法。特别地，这些转化率应至少为50％。
2、本专利技术人认识到可以通过以下步骤以令人惊讶的方式和方法实现该目的：在第一步骤中，将掺杂剂注入到金刚石层中，并在第二步骤中，通过离子轰击掺合杂质原子以形成色心，其中，离子轰击是使用离子注量高达1010cm-2的杂质原子进行的。由此，可以实现超过70％的非常高的转化率。由于高转换率，根据本专利技术的方法导致成功连接或互连各个色心(特别是nv中心)的可能性增加，以便由此生产分别由两个以上的量子位组成的可用的量子位寄存器或量子位传感器。此外，无需额外的表面处理(例如，表面去除)，就可以产生具有色心的近表面层。
3、在本专利技术的上下文中，“金刚石层”既可以是金刚石块体材料中的层，也可以是沉积在相同材料或不同材料的基材上的定义的金刚石层。
4、本专利技术人推测，例如对于nv中心，通常流动性强的氢似乎在金刚石层的表面上累积，并在那里形成不可用的nvh复合物。此外，由即使以低能量发生的氮离子轰击产生的缺陷(空位-v)也是可移动的并累积在不再可用于形成nv中心的表面处。
5、现在，掺杂剂(特别是供体)似乎与氢(供体-h)结合，由此似乎也产生了供体。由此和由于引入的供体或受体本身，空位(v-或v+)带电，因此空位变为不可移动的，并不再扩散到表面，而是可用于形成色心。掺杂剂使弗伦克尔缺陷(具有间隙原子v0-ci的空位)带负电→v--c。它们在500℃下解离为v-和ci0。因此存在更多的v-可用于形成nv。在硼或本征金刚石中，弗伦克尔缺陷主要是中性的，并能重新组合(恢复)。
6、根据本专利技术的用于在金刚石层中产生至少一个确定性色心的方法的特征在于，在第一步骤中，将至少一种掺杂剂注入到金刚石层中，并且在第二步骤中，通过低能量离子轰击将至少一个杂质原子掺合到金刚石层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于在金刚石层(15)中产生至少一个确定性色心(54)的方法(10)，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的方法(10)，其特征在于，
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的方法(10)，其特征在于，
6.根据权利要求4所述的方法(10)，其特征在于，
7.根据权利要求1至3和5-6中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
9.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
10.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
11.根据权利要求1至3、5至6和8至10中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
12.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
13.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
14.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征
15.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
16.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
17.根据权利要求1至3、5至6、8至10和12-16中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
18.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
19.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
20.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
21.根据权利要求1至3、5至6、8至10、12-16和18至20中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
22.根据权利要求21所述的方法(10)，其特征在于，
23.根据权利要求21所述的方法(10)，其特征在于，
24.根据权利要求21所述的方法(10)，其特征在于，
25.根据权利要求21所述的方法(10)，其特征在于，
26.根据权利要求21所述的方法(10)，其特征在于，在所述杂质原子掺合之后，进行第二回火步骤(24)，其中，
27.根据权利要求26所述的方法(10)，其特征在于，
28.根据权利要求26所述的方法(10)，其特征在于，
29.根据权利要求26所述的方法(10)，其特征在于，
30.根据权利要求1至3、5至6、8至10、12至16、18至20和22至29中任一项所述的方法(10)，其特征在于，所述金刚石层(15)存在于至少具有纯品质的金刚石材料(14)中，且/或
31.根据权利要求30所述的方法(10)，其特征在于，
32.根据权利要求30所述的方法(10)，其特征在于，
33.一种具有至少一个确定性色心(54)的金刚石层(15)，其特征在于，用于形成所述色心(54)的杂质原子的类型以一定的原子数量存在于所述金刚石层(15)中，所述原子数量最多为所述金刚石层(15)中的所述色心(54)数量的两倍，所述金刚石层是根据权利要求1至32中任一项所述的方法生产的。
34.根据权利要求33所述的具有至少一个确定性色心(54)金刚石层(15)或根据权利要求1至32中任一项所述的方法生产的具有至少一个确定性色心(54)的金刚石层(15)作为量子位容器的使用。
35.根据权利要求34所述的使用为在传感器的背景下和/或在量子加密的背景下和/或在量子计算机应用的背景下的使用。
...【技术特征摘要】
1.一种用于在金刚石层(15)中产生至少一个确定性色心(54)的方法(10)，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的方法(10)，其特征在于，
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的方法(10)，其特征在于，
6.根据权利要求4所述的方法(10)，其特征在于，
7.根据权利要求1至3和5-6中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
9.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
10.根据权利要求7所述的方法(10)，其特征在于，
11.根据权利要求1至3、5至6和8至10中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
12.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
13.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
14.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
15.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
16.根据权利要求11所述的方法(10)，其特征在于，
17.根据权利要求1至3、5至6、8至10和12-16中任一项所述的方法(10)，其特征在于，
18.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
19.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
20.根据权利要求17所述的方法(10)，其特征在于，
21.根据权利要求1至3、5至6、8至10、12-16和18至20中任一项所述的方法(10)，其特征在于，<...
【专利技术属性】
技术研发人员：简·贝伦德·梅耶尔，塞巴斯蒂安·佩扎尼亚，托比亚斯·利曼，拉尔夫·文德利希，
申请(专利权)人：量子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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