一种表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备方法

本发明涉及金刚石色心，具体涉及一种表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备方法。

背景技术：

1、金刚石色心是金刚石内部的一种缺陷结构，在能量激发情况下，可以产生具有特定波长的光。由于金刚石色心发光拥有高量子效率、光漂白少和无光闪烁等光学特性，在量子计算、光电子学和生物标记等领域拥有广泛的应用前景，对金刚石中的色心缺陷的研究吸引了越来越多研究者的关注。氮空位色心(nv色心)由于在金刚石中广泛存在，容易被观测到，且其具有显著的光稳定性、长荧光寿命(～15ns)、高量子产率达到70％、优异的自旋相干性、读取特性等优秀的光学特性，因此最先被研究，是最有望实现量子计算的材料结构。金刚石的硅空位色心是另一种金刚石中常见的色心缺陷，由于其也具有优异的光学特性，近年来也引起了学术界的关注。研究发现，硅原子可以以扩散的形式进入金刚石结构中，从而形成硅空位色心。进一步的，硅空位色心在一定条件下可以转化为氮空位色心。

2、金刚石氮空位色心的优秀特性决定了具有氮空位色心金刚石材料的广泛的应用前景，而具有氮空位色心金刚石的制备工艺决定了该材料的应用开发程度。目前制备具有氮空位色心金刚石的主流方法主要有两种，分别是化学气相沉积法(chemical vapordeposition，cvd)和离子注入法。cvd法是使用cvd沉积设备，在金刚石生长过程中人为引入含有氮元素的气体，从而将氮原子掺入金刚石晶体结构中，形成具有氮空位色心的金刚石。另一种方法是离子注入法，通过将含氮的离子基团加速注入金刚石表面从而获得具有氮空位色心的单晶金刚石。

3、然而，cvd法由于是在金刚石生长氛围中引入氮原子，这使得氮空位色心均匀存在于单晶金刚石的所有位置，这使得该法制备的具有氮空位色心的单晶金刚石无法在需要单光子源或者量子计算的领域有所应用。离子注入法，可以在金刚石表面小区域形成氮空位色心，这种方法也是制备面向量子计算应用的具有氮空位色心的单晶金刚石的主流制备方法。但是由于离子注入对金刚石材料结构有一定的破坏性，很大程度上会影响金刚石氮空位色心的发光强度，对后续应用有消极的影响。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供一种表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备方法，所述金刚石的制备方法包括：

3、步骤1、选取本征硅衬底；

4、步骤2、采用光刻和刻蚀工艺在所述本征硅衬底上制备预设图形结构，所述预设图形结构包括若干支撑结构；

5、步骤3、将单晶金刚石放置在所述本征硅衬底的若干支撑结构之上，以使所述支撑结构与所述单晶金刚石的表面相接触；

6、步骤4、在与所述支撑结构相接触的所述单晶金刚石的表面形成若干硅空位色心区域；

7、步骤5、使用氮氢混合的等离子体的微波等离子集团处理表面具有硅空位色心区域的单晶金刚石，以使所述单晶金刚石表面的硅空位色心区域转化为氮空位色心区域；

8、步骤6、对表面具有氮空位色心的单晶金刚石进行退火处理，完成表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备。

9、在本发明的一个实施例中，所述本征硅衬底的电阻率大于2000ω·cm，厚度为1-3mm，晶向为(100)、(110)或者(111)。

10、在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

11、步骤2.1、采用光刻工艺在所述本征硅衬底上光刻出预设图形；

12、步骤2.2、采用磁控溅射工艺在光刻有所述预设图形的本征硅衬底上溅射金属硬掩模；

13、步骤2.3、采用刻蚀工艺刻蚀所述本征硅衬底，以得到具有所述预设图形结构的本征硅衬底；

14、步骤2.4、采用预设溶剂去除所述本征硅衬底上的金属硬掩模；

15、步骤2.5、对具有所述预设图形结构的本征硅衬底进行超声清洗，完成具有所述预设图形结构的本征硅衬底的制备。

16、在本发明的一个实施例中，所述步骤2.5包括：

17、分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水对具有所述预设图形结构的本征硅衬底进行超声清洗，完成具有所述预设图形结构的本征硅衬底的制备。

18、在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：

19、步骤4.1、将放置在所述本征硅衬底的若干支撑结构之上的单晶金刚石一同置入mpcvd设备中，并将所述mpcvd设备的腔体的气压抽至小于或者等于0.001mbar条件下；

20、步骤4.2、向所述mpcvd设备中通入h2，其中，h2的流量为100-800sccm；

21、步骤4.3、当所述腔体气压达到10-25mbar时，打开微波源，使所述腔体气压升至120-200mbar，其中，功率为3000-5000w，温度为800-1000℃，之后处理5-20min；

22、步骤4.4、向所述mpcvd设备中通入流量为2-8sccm的ch4，之后处理90-120min，以使与所述单晶金刚石接触的所述支撑结构中的硅原子扩散进入所述单晶金刚石中，在所述单晶金刚石的表面形成若干硅空位色心区域。

23、在本发明的一个实施例中，所述步骤5包括：

24、步骤5.1、将表面具有硅空位色心区域的单晶金刚石置入mpcvd设备中，并将所述mpcvd设备的腔体气压抽至小于或者等于0.001mbar条件；

25、步骤5.2、向所述mpcvd设备中通入h2；

26、步骤5.3、当所述腔体气压达到10-25mbar时，打开微波源，使所述腔体气压升至120-200mbar，其中，功率为3000-5000w，温度为800-1000℃，然后通入n2，之后对表面具有硅空位色心区域的单晶金刚石处理90-120min，以使所述单晶金刚石表面的硅空位色心区域转化为氮空位色心区域，其中，h2的流量大于n2的流量。

27、在本发明的一个实施例中，所述步骤5.2中h2的流量为100-800sccm，所述步骤5.3中n2的流量为5-40sccm。

28、在本发明的一个实施例中，所述步骤6包括：

29、在800-1200℃对表面具有氮空位色心的单晶金刚石进行10-20min的退火处理，完成表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备。

30、本发明一个实施例还提供一种表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石，其特征在于，所述表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石利用上述任一项实施例所述的制备方法制备形成。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

32、本发明提供的表面具有图形化氮空位色心区域的金刚石的制备方法，通过图形化处理后的本征硅衬底，在单晶金刚石表面制备具有图形化的硅空位色心区域，然后利用氮氢混合的等离子体将硅空位色心区域转化成氮空位色心区域，从而实现表面具有图形化氮空位色心的单晶金刚石的制备。相比较cvd法制备具有氮空位色心的单晶金刚石，本发明提出的方法可以在金刚石表面所需区域，选择性的生长氮空位色心，更适合金刚石氮空位色心的应用，可以在需要单光子源或者量子计算的领域进行应用。相比较离子注入法，本发明提供的方法对金刚石没有破坏性，制备的具有氮空位色心的金刚石质量更高，且能保证金刚石氮空位色心的发光强度，能够较好的适用于后续的应用。

33、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。