中國粉體網訊 近日，中南鉆石有限公司和中國電科第十三研究所在《物理學報》發表了題為“MPCVD法制備高濃度金剛石NV色心及其性能研究”的研究文章。文章指出MPCVD法可在金剛石中定量摻雜高濃度氮元素，經電子輻照后金剛石NV色心濃度顯著提高，并具有良好的量子磁探測性能。
研究背景
金剛石氮-空位（NV）色心在室溫下穩定性好，電子自旋相干時間長，能被激光和微波操控，是量子探測領域最具潛力的結構，可實現對磁場、電場、溫度、應力等物理量的精密測量。
近十年來，關于NV色心的自旋操控一直是研究熱點。在弱磁測量方面，利用NV色心的測量方法靈敏度比一般磁場測量儀器的靈敏度更高。在量子計算方面，基于NV色心系統，其相干時間長且室溫可操作，可顯著減少計算時間。通過NV色心的光纖傳感器，可測量細胞溫度、檢測磁性納米顆粒的濃度。
在單個NV色心或NV色心濃度較低時，對溫度、磁場、電場的變化反應不夠靈敏，對測量設備要求較高，在一定范圍內，NV色心濃度越高，均勻性越好，對物理量的檢測靈敏度越高。然而，采用MPCVD方法制備高氮金剛石面臨著較多的生長問題，同時，氮原子實際摻雜量尚未經過系統研究。因此文章對采用MPCVD法在金剛石單晶中摻雜足夠濃度的氮原子以形成高濃度NV色心進行了深入研究。
主要結論
該研究采用的襯底為中南鉆石公司生產的（100）晶面CVD金剛石單晶，尺寸約為11mm×11mm。
1）氮含量逐漸增加，金剛石單晶樣品的顏色逐漸由淺棕色轉變為黑色。
2）實際摻雜進入金剛石單晶晶格中的氮含量遠低于前驅體氣體中氮含量，二者比例約為1:11，隨著氮含量的增加，氮更容易引入到金剛石單晶晶格中。
3）紅外光譜表明，HPHT法制備的高氮金剛石中氮原子主要以C心氮為主，A心氮含量較低，而MPCVD法制備的高氮金剛石空位缺陷含量較高，C心氮含量較低，幾乎無A心氮，大部分的氮原子以聚集態的氮片晶和N+形式存在。
金剛石單晶樣品紅外光譜
4）高氮含量的金剛石單晶輻照后NV色心的熒光強度提升了近70倍，采用光探測磁共振系統對輻照后金剛石單晶樣品進行表征，其熒光強度分布較為均勻，材料具有較好的微波自旋操縱性，縱向弛豫時間約為3.37ms。
（a）測試示意圖；（b）熒光Mapping；（c）不同微波功率下的ODMR曲線；
（d）施加偏置磁場后的ODMR曲線；（e）拉比震蕩曲線；（f）縱向弛豫時間
關于中南鉆石
中南鉆石有限公司是豫西集團控股上市公司中兵紅箭（股票代碼000519）的全資子公司。公司是世界最大的超硬材料科研、生產基地，產品主要應用于傳統工業領域、消費領域及金剛石功能化應用領域，是全球少數同時掌握高溫高壓（HPHT）和化學氣相沉積技術（CVD）兩種金剛石單晶制備技術的制造商。
傳統工業應用領域主要產品有工業金剛石、大尺度多晶金剛石、立方氮化硼、超硬復合材料、石墨制品等，已出口到歐美、印度、日本、韓國等40多個國家和地區，產銷量和市場占有率雄居全球第一；在消費領域，公司成功實現了寶石級培育鉆石的規模化生產，打破了國外巨頭對鉆石飾品領域主流原材料的壟斷，使我國在培育鉆石領域領跑全球；在金剛石功能化應用領域，主要產品包括CVD/HPHT半導體級金剛石單晶片、金剛石窗口、金剛石散熱片、金剛石/金屬復合材料等，已在高新技術等領域開展推廣應用。
中南鉆石公司功能金剛石產品
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參考來源：
1.中南鉆石官網
2.劉厚盛等．MPCVD法制備高濃度金剛石NV色心及其性能研究.物理學報
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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