金刚石NV色心纳米柱规则阵列的制作方法

本公开涉及量子材料领域，具体涉及一种金刚石nv色心纳米柱规则阵列的制作方法。

背景技术：

1、金刚石氮空位色心，即nv色心，是金刚石中的晶格缺陷之一。其出现是在外界特定的物理条件影响下，由金刚石晶格中的某个碳原子被氮原子取代并捕获邻位空位形成的，呈现出独特的c3v对称性。nv色心具有两种电荷状态：包括带一个负电荷的状态和电中性状态。其中带一个负电荷的nv色心(nv-色心，后文简称nv色心)因其具备优良的光探测磁共振性质，在量子操控和量子计算领域备受关注。

2、由于块状金刚石中nv色心的几何尺寸非常小，在测试前后过程中无法快速定位找到同一个nv色心结构，会严重影响对自旋状态的高精度调控和测试的稳定性和准确性。同时金刚石本身具有非常高的光学折射率(n＝2.4)，导致相关技术中对nv色心的探测时间长，荧光收集效率非常低。因此，提供一种可以提高金刚石nv色心的相干时间和荧光收集效率的制备技术成为目前研究的热点。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决相关技术中的以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提出了一种金刚石nv色心纳米柱规则阵列的制作方法，包括：

2、对金刚石表面进行预处理，得到预处理后的金刚石表面；

3、在预处理后的金刚石表面进行第一次套刻处理，构建金属标志物；

4、在金属标志物区域内的金刚石表面进行第二次套刻处理，以在二维平面确定nv色心规则阵列位置，然后通过氮离子注入，形成nv色心规则阵列；

5、在nv色心规则阵列上进行第三次套刻处理，形成金属掩膜层，以控制氮离子注入深度；

6、在金属掩膜层进行刻蚀，得到金刚石nv色心纳米柱规则阵列。

7、根据本公开实施例，第一次套刻处理的操作包括：

8、在预处理后的金刚石表面进行双层胶匀胶处理，其中，双层胶包括聚甲基丙烯酸甲酯-a4和聚二甲基戊二酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯-a4的厚度为200～220nm，聚二甲基戊二酰亚胺的厚度为300～330nm；

9、在双层胶表面形成导电膜，然后依次进行曝光、显影、腐蚀处理，得到第一图形结构，其中，导电膜的厚度为10～12nm，第一图形结构为矩形分布的四个十字结构；

10、在第一图形结构上沉积第一金属层，经过剥离清洗后，得到金属标志物，其中，第一金属层包括厚度为8～12nm的铬和厚度为80～90nm的金。

11、根据本公开实施例，在第一次套刻处理的过程中，匀胶时间为38s～42s，匀胶机转速为3500～4500r/s；导电膜的镀膜速度为0.1～0.2nm/s；曝光处理为电子束曝光，其中，曝光能量为8～12kev，曝光剂量130～170μc/cm2。

12、根据本公开实施例，第二次套刻处理的操作包括：

13、在金属标志物的区域内的金刚石表面进行混合胶匀胶处理，其中，混合胶包括质量比为3:1～4:1的聚甲基丙烯酸甲酯-a4和聚甲基丙烯酸甲酯-a7，混合胶层厚度为280nm～320nm；

14、在混合胶表面形成导电膜，然后依次进行曝光、显影、腐蚀处理，得到第二图形结构，其中，导电膜的厚度为10～12nm，第二图形结构为条带宽度为8～12μm的十字条带以及孔径为90～110nm的小孔；

15、对第二图形结构进行n14离子注入，经过清洗后得到nv色心规则阵列。

16、根据本公开实施例，在第二次套刻处理的过程中，匀胶时间为38s～42s，匀胶机转速为3500～4500r/s；导电膜的镀膜速度为0.1～0.2nm/s；曝光处理为电子束曝光，其中，曝光能量为15～25kev，十字条带区域的曝光剂量为210～240μc/cm2、小孔区域的曝光剂量为0.7～0.8μc/cm2；n14离子注入的注入剂量为(1.8～2.2)×1011/cm2，注入能量为40～42kev，离子束流为50～70na。

17、根据本公开实施例，第三次套刻处理的操作包括：

18、对具有nv色心规则阵列的金刚石表面进行双层胶处理，其中，双层胶包括聚甲基丙烯酸甲酯-a4和聚二甲基戊二酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯-a4的厚度为200～220nm，聚二甲基戊二酰亚胺的厚度为300～330nm；

19、在双层胶表面形成导电膜，然后依次进行曝光、显影、腐蚀处理，得到第三图形结构，其中，第三图形结构为根据nv规则阵列分布的孔径为500nm的小孔；

20、在第三图形结构上沉积第二金属层，经过剥离清洗后，得到金属掩膜层，其中，第二金属层包括厚度为8～12nm的铬和厚度为30～40纳米的钛。

21、根据本公开实施例，在第三次套刻处理的过程中，匀胶时间为38s～42s，匀胶机转速为3500～4500r/s；导电膜的镀膜速度为0.1～0.2nm/s；曝光处理为电子束曝光，其中，曝光能量为8～12kev，曝光剂量为0.4～0.6μc/cm2。

22、根据本公开实施例，预处理操作包括对金刚石表面进行打磨、清洗处理，使得金刚石表面的粗糙度r在±2nm的范围内，预处理后的金刚石表面的荧光计数小于2000s-1。

23、根据本公开实施例，还包括对金刚石nv色心纳米柱规则阵列进行后处理，以得到图案清晰稳定的金刚石nv色心纳米柱规则阵列；其中，后处理包括酸洗、清洗、阶段式真空退火。

24、根据本公开实施例，阶段式真空退火操作包括金刚石样品在(4～5)×10-5pa的压强下，升温至第一温度，保持第一时长，再将温度线性升高至第二温度，稳定保持第二时长，然后逐步恢复室温和标准大气压环境，其中，第一温度为395～405℃；第一时长为0.9～1.1h；第二温度为800～820℃；第二时长为1.9～2.1h。

25、根据本公开实施例，本公开通过三次套刻的方法，首先经过两次套刻工艺，在二维平面上固定了nv色心阵列的位置，有利于提高重复多次找到金刚石中目标nv色心阵列的成功率以及nv色心阵列的荧光收集效率；然后通过掩膜、第三次套刻以及离子注入手段灵活控制nv色心的注入深度，从而在垂直于二维平面的第三维度上准确控制nv色心在金刚石纳米立柱中的的注入深度，从而提升nv色心的相干时间，拓宽其在量子计算和量子传感领域的应用。

技术特征：

1.一种金刚石nv色心纳米柱规则阵列的制作方法，包括：

2.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述第一次套刻处理的操作包括：

3.根据权利要求2所述的制作方法，其中，

4.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述第二次套刻处理的操作包括：

5.根据权利要求4所述的制作方法，其中，

6.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述第三次套刻处理的操作包括：

7.根据权利要求6所述的制作方法，其中，

8.根据权利要求1所述的制作方法，其中，所述预处理操作包括

9.根据权利要求1所述的制作方法，还包括对所述金刚石nv色心纳米柱规则阵列进行后处理，以得到图案清晰稳定的金刚石nv色心纳米柱规则阵列；其中，所述后处理包括酸洗、清洗、阶段式真空退火。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其中，

技术总结
本公开提出了一种金刚石NV色心纳米柱规则阵列的制作方法，包括：对金刚石表面进行预处理，得到预处理后的金刚石表面；在预处理后的金刚石表面进行第一次套刻处理，构建金属标志物；在金属标志物区域内的金刚石表面进行第二次套刻处理，以在二维平面确定NV色心规则阵列位置，然后通过氮离子注入，形成NV色心规则阵列；在NV色心规则阵列上进行第三次套刻处理，形成金属掩膜层，以控制氮离子注入深度；在金属掩膜层进行刻蚀，得到金刚石NV色心纳米柱规则阵列。

技术研发人员：孙方稳,江旺,董杨,臧翰翔,刘志威,高学栋
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29