[发明专利]一种无损伤可控制备金刚石中氮空位中心的方法

说明书

本发明公开了一种无损伤可控制备金刚石中氮空位中心的方法，通过选择非金属触媒和氮源降低合成金刚石内部的铁磁性缺陷，并合成金刚石内部氮杂质的含量，通过控制生长晶向和温度的匹配精确控制金刚石内部氮空位的形成类型，采用高温高压退火技术快速而且有效的调节金刚石内部的氮空位类型与所带电荷数目，获取了可控的NV⁰，NV^‑，N₂V等氮空位中心，从而有效解决目前因氮空穴可控制备技术缺失而严重限制其进一步走向产业化应用的问题。

技术领域

本发明属于量子科技和精密测试材料技术领域，具体涉及一种无损伤可控制备金刚石中氮空位中心的方法。

背景技术

量子技术是一门结合量子论和信息论的新兴交叉学科，利用“量子叠加”和“量子纠缠”效应将信息存储在“量子位”中，达到超快并行计算能力，在超级计算、信息处理、人工智能、信息安全等应用领域具有传统计算机无可比拟的优势。近年来，随着量子技术从理论走向实验，成功从实验室研究快速向实用化发展，使其在国家经济、科技及军事领域具有广阔的应用前景，并迅速成为当今国际量子物理和信息科学的研究热点。目前，基于光子和超导体系的量子计算机研究依然受限于极端应用环境的影响。因此，寻找可以在室温条件下制造量子位的新材料，对推进量子科技领域的发展具有重要的科学意义和实际应用价值。

金刚石的超宽带隙使其内部可以容纳众多缺陷（~500 种），其中，至少有十种以上已被证明可以作为单量子发射器存在，这些单光子激发波长可以从蓝色一直到近红外区域。在诸多候选体系中，氮-空位（N-V）中心是其中最为特殊的室温单光子源，这类缺陷的存在使金刚石材料在量子位制造方面具有极高应用价值，受到众多科研工作者的广泛关注。

N-V 中心是由金刚石中单个替代的氮原子结合相邻格点中的空位所形成。N-V 中心激发出的光粒子能够保持量子位叠加态，可以在量子计算设备之间传递信息。这种发光缺陷制造的量子位在室温下具有如下特征：（1）电子自旋退相干时间长；（2）量子态的保真度高；（3）可与周围核自旋形成超精细相互作用环境。这些特性可被用于量子密钥分配、量子寄存、量子纠错等领域，因此被认为是最有潜力实现量子计算的优良载体。此外，N-V 中心激发的荧光对环境磁场、电场、应力和温度等变化极度敏感，可用于检测电子自旋改变情况。传统的磁共振成像技术需要数以百万个自旋信息捕获一个可测的信号，N-V 中心可以轻松检测到单个的目标自旋，精确度达到纳米量级。这些独特的特征让金刚石内 N-V 中心可作为纳米尺寸传感器，用于磁共振成像、高精密弱磁探测等领域。同时，由于金刚石材料的无毒性和耐光性，N-V 中心也可作为理想的生化探针材料嵌入细胞内进行科学研究和医疗诊断。

虽然目前N-V 中心在量子计算、高空间分辨率的弱磁探测和高精密检测等领域的研究工作均取得了较大的进展。但其由实验室研究走向广泛实际应用仍然受到了以下三方面的严重限制：第一，目前实验室研究工作主要依赖于天然钻石，但自然界中含有 N-V 中心的天然钻石十分稀有、昂贵、且难以复制，不利于走向规模化应用；第二，天然钻石中 N-V缺陷通常存在于 IIa 金刚石中，浓度远低于 1 ppm；第三，用于实验研究的含 N-V 中心纳米金刚石主要由爆炸法合成，内部存在大量缺陷与其他顺磁性杂质，这导致 N-V 中心所产生字节非常不稳定，即虽能存储量子信息，但极易受到外界环境噪声的影响而被毁坏。有时存储时间最多只能持续百万分之一秒，这意味着在实际设备应用中，量子信息无法被存储。同时受限于其微小的尺寸，远不能满足现在功能器件领域的应用需求，这逐渐成为限制其走向大规模应用的瓶颈。