金刚石锗空位色心结构、电子结构及光学性质的第一性原理研究
发布时间：2022-02-09 00:41
近些年来,量子信息技术作为新兴技术发展迅猛,对于能充分应用于量子计算、量子传感、量子通信的金刚石缺陷色心的研究也日益增多。金刚石色心的线宽较窄,不同金刚石色心的荧光波长也大不相同。通过实验测得的金刚石色心拥有较短的激发态寿命,光学特性稳定,尺寸微小,与生物具有高相容性,已成功应用于量子保密通讯、量子高灵敏度测量等方面。为了最大限度地开发和利用金刚石色心,寻找新的符合优质量子信息技术应用的金刚石色心以及开发金刚石色心的电子结构和光学性质尤为重要。金刚石色心的研究为量子信息技术的应用提供了基础支撑,研究金刚石色心成为了量子信息技术的一项重要突破。本文采用第一性原理计算方法,研究了金刚石锗空位缺陷的结构及其电子结构、光学性质。建立了锗原子位于替代位和双空位中心的结构模型,明确其稳定结构为锗原子位于双空位中心。对稳定结构进行电荷密度、差分电荷密度分析,结果表明锗原子稳定存在于体系内部,并且锗原子与金刚石内部近邻的六个碳原子成键。分析金刚石锗空位色心的能带和能级结构,可知金刚石锗色心的能带结构为P型半导体,并且发现了在P型半导体中,同主族掺杂会导致杂质能带下沉至价带。金刚石锗空位色心为三能级结构...
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１我国光量子计算机的组成［７］??１．?１．?２单光子源及其产生方法??
?内蒙古科技大学硕士学位论文???峰的吸收系数约为１２．３ｃｍ－１。在微米波长以上的范围内光学透过率可达到７０％??以上。因此综合考虑以上性质，在光学应用的器件材料中，金刚石由于其优异的??光学性能成为此方面选择的最佳材料［２１，２２］。??Ｑ?Ａ???龜??應齡??（ａ）?（ｂ）??图１．２金刚石结构？?（ａ）晶体结构（ｂ）晶胞结构??如今，金刚石的光学性能得到了很大的发展，目前己经制备出了在可见光至??微米波范围内光透过率达到７０％以上的ＣＶＤ金刚石膜，与天然金刚石相同。因??此髙质量光学级化学气相沉积金刚石膜己在众多领域，在军事方面的应用也尤为??突出。例如在航空航天方面，ＣＶＤ金刚石膜可运用到导弹头罩，航天器窗口和??大功率激光器窗口等等。但与天然金刚石相比，化学气相沉积金刚石也存在一定??的差异，例如ＣＶＤ金刚石与天然金刚石的光吸收峰的位置和形状有略微差异，??这与ＣＶＤ金刚石膜的制备过程中所用气源比例有关［２３］。??金刚石区别于其它材料，其禁带较宽。当缺陷形成时，缺陷能级位于金刚石??较宽的禁带中，这样在激发后，缺陷发光就会直接发射出来。金刚石宽禁带中由??于缺陷激发而形成的诱导发光色心，称为金刚石的色心。金刚石的色心中存在缺??陷的分立能级，这些分立能级能够单独呈现光的颜色，将这些单独的光的颜色应??用于光量子计算以及光量子信息方面，都有较为符合的应用领域。金刚石成键为??共价键，其整体结构稳定，这在很大程度上保证了掺杂后能够形成稳定的缺陷结??构，在结构稳定下，缺陷形成的色心光学性质稳定，荧光寿命较长，能够很好地??应用于高灵敏度测量方面。此外，由于金刚石无毒，其在生物内部有很髙的
胞层面的髙灵敏度测??温。这实现了纳米尺度的超高灵敏度温度测量。早在几年前，Ｐａｒｋ等人就基于纳??米金刚石中氮空位色心的独有的自旋态，进行了纳米级细胞水平的温度测量，这??项研宄打开了温度测量的新尺度要求［３７］。纳米金刚石色心基于金刚石良好的生物??兼容性，能够实现荧光标记、靶向传输等超前的应用，这将为生物、化学等领域??解决很多未解的难题。??１．?２．?３常见的金刚石色心??目前为止，对氮空位（ＮＶ）色心的研究甚广，以至于它成为应用最广的色??心。金刚石ＮＶ色心的结构＿如图１．３所示。二十世纪末期，德国科学家首次测??得金刚石氮空位色心［３８］，时至今日，由于金刚石ＮＶ色心稳定的光学特性，无毒，??与生物的髙相容性、尺寸微小等特性，ＮＶ色心已经在诸如量子计算［３９］、量子精??密测量＿、生物荧光标记？、超分辨成像？等领域发挥了重要作用。??疆??图１．?３金刚石ＮＶ色心??金刚石ＮＶ色心是一个氮原子（Ｎ）替代一个碳原子，同时氮原子与周围的??一个碳空位（Ｖ）相连，最终构成的晶体点缺陷。天然金刚石中存在ＮＶ色心［４１］，??但大多数都为实验制备。实验制备一般有两种方法，离子注入法和化学气相沉积??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感[J]. 董杨,杜博,张少春,陈向东,孙方稳. 物理学报. 2018(16)
[2]不同浓度C掺杂SnO2的第一性原理计算[J]. 彭彩云,雷博程,夏桐,徐明杰,王艳辉,张丽丽,黄以能. 原子与分子物理学报. 2018(03)
[3]量子信息技术纵览[J]. 周正威,陈巍,孙方稳,项国勇,李传锋. 科学通报. 2012(17)
[4]CVD金刚石薄膜技术发展现状及展望（上）[J]. 杨德威,栗正新,苑执中. 超硬材料工程. 2012(02)
[5]金刚石/硅复合膜的导热特性研究[J]. 吴小国,熊瑛,杨保和,李翠平,孙大智,李晓伟. 光电子.激光. 2007(08)
[6]直流等离子体CVD金刚石薄膜微观结构分析[J]. 李多生,左敦稳,陈荣发,相炳坤,赵礼刚,王珉. 稀有金属材料与工程. 2007(04)
[7]化学气相沉积光学级金刚石薄膜的研究进展[J]. 熊礼威,汪建华,满卫东,曹菊琴. 激光与光电子学进展. 2006(07)
[8]量子计算的研究进展[J]. 周正威,黄运锋,张永生,郭光灿. 物理学进展. 2005(04)
[9]量子点单光子源及其制备方法研究进展[J]. 王浩,廖常俊,王金东,刘颂豪. 物理学进展. 2005(04)
[10]量子计算的物理实现[J]. 薛飞,杜江峰,周先意,韩荣典. 物理. 2004(10)
博士论文
[1]单晶金刚石中色心的光学性质研究[D]. 高远飞.郑州大学 2019
[2]金刚石中NV色心的温度特性研究[D]. 李聪丛.中国科学技术大学 2017
[3]金刚石NV色心的制备、相干性与温度探测研究[D]. 王俊峰.中国科学技术大学 2016
[4]量子点单光子源在量子信息中的应用及量子维度的研究[D]. 孙永南.中国科学技术大学 2016
[5]基于量子点的高品质单光子源和相干性质研究[D]. 魏宇佳.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]MPCVD制备多层金刚石膜[D]. 陈义.武汉工程大学 2017
[2]常温单光子源的制备与测试[D]. 张革.北京交通大学 2015
[3]高质量光学级金刚石膜的制备与研究[D]. 罗福平.武汉工程大学 2014
[4]表面修饰对金刚石NV色心的影响及Cr基色心结构稳定性的理论研究[D]. 刘荣.华南理工大学 2013
[5]纳米金刚石应用研究[D]. 于雁武.中北大学 2006
[6]氢终止金刚石（001）表面的第一性原理研究[D]. 于洋.吉林大学 2004
本文编号：3616058
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１我国光量子计算机的组成［７］??１．?１．?２单光子源及其产生方法??
?内蒙古科技大学硕士学位论文???峰的吸收系数约为１２．３ｃｍ－１。在微米波长以上的范围内光学透过率可达到７０％??以上。因此综合考虑以上性质，在光学应用的器件材料中，金刚石由于其优异的??光学性能成为此方面选择的最佳材料［２１，２２］。??Ｑ?Ａ???龜??應齡??（ａ）?（ｂ）??图１．２金刚石结构？?（ａ）晶体结构（ｂ）晶胞结构??如今，金刚石的光学性能得到了很大的发展，目前己经制备出了在可见光至??微米波范围内光透过率达到７０％以上的ＣＶＤ金刚石膜，与天然金刚石相同。因??此髙质量光学级化学气相沉积金刚石膜己在众多领域，在军事方面的应用也尤为??突出。例如在航空航天方面，ＣＶＤ金刚石膜可运用到导弹头罩，航天器窗口和??大功率激光器窗口等等。但与天然金刚石相比，化学气相沉积金刚石也存在一定??的差异，例如ＣＶＤ金刚石与天然金刚石的光吸收峰的位置和形状有略微差异，??这与ＣＶＤ金刚石膜的制备过程中所用气源比例有关［２３］。??金刚石区别于其它材料，其禁带较宽。当缺陷形成时，缺陷能级位于金刚石??较宽的禁带中，这样在激发后，缺陷发光就会直接发射出来。金刚石宽禁带中由??于缺陷激发而形成的诱导发光色心，称为金刚石的色心。金刚石的色心中存在缺??陷的分立能级，这些分立能级能够单独呈现光的颜色，将这些单独的光的颜色应??用于光量子计算以及光量子信息方面，都有较为符合的应用领域。金刚石成键为??共价键，其整体结构稳定，这在很大程度上保证了掺杂后能够形成稳定的缺陷结??构，在结构稳定下，缺陷形成的色心光学性质稳定，荧光寿命较长，能够很好地??应用于高灵敏度测量方面。此外，由于金刚石无毒，其在生物内部有很髙的
胞层面的髙灵敏度测??温。这实现了纳米尺度的超高灵敏度温度测量。早在几年前，Ｐａｒｋ等人就基于纳??米金刚石中氮空位色心的独有的自旋态，进行了纳米级细胞水平的温度测量，这??项研宄打开了温度测量的新尺度要求［３７］。纳米金刚石色心基于金刚石良好的生物??兼容性，能够实现荧光标记、靶向传输等超前的应用，这将为生物、化学等领域??解决很多未解的难题。??１．?２．?３常见的金刚石色心??目前为止，对氮空位（ＮＶ）色心的研究甚广，以至于它成为应用最广的色??心。金刚石ＮＶ色心的结构＿如图１．３所示。二十世纪末期，德国科学家首次测??得金刚石氮空位色心［３８］，时至今日，由于金刚石ＮＶ色心稳定的光学特性，无毒，??与生物的髙相容性、尺寸微小等特性，ＮＶ色心已经在诸如量子计算［３９］、量子精??密测量＿、生物荧光标记？、超分辨成像？等领域发挥了重要作用。??疆??图１．?３金刚石ＮＶ色心??金刚石ＮＶ色心是一个氮原子（Ｎ）替代一个碳原子，同时氮原子与周围的??一个碳空位（Ｖ）相连，最终构成的晶体点缺陷。天然金刚石中存在ＮＶ色心［４１］，??但大多数都为实验制备。实验制备一般有两种方法，离子注入法和化学气相沉积??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感[J]. 董杨,杜博,张少春,陈向东,孙方稳. 物理学报. 2018(16)
[2]不同浓度C掺杂SnO2的第一性原理计算[J]. 彭彩云,雷博程,夏桐,徐明杰,王艳辉,张丽丽,黄以能. 原子与分子物理学报. 2018(03)
[3]量子信息技术纵览[J]. 周正威,陈巍,孙方稳,项国勇,李传锋. 科学通报. 2012(17)
[4]CVD金刚石薄膜技术发展现状及展望（上）[J]. 杨德威,栗正新,苑执中. 超硬材料工程. 2012(02)
[5]金刚石/硅复合膜的导热特性研究[J]. 吴小国,熊瑛,杨保和,李翠平,孙大智,李晓伟. 光电子.激光. 2007(08)
[6]直流等离子体CVD金刚石薄膜微观结构分析[J]. 李多生,左敦稳,陈荣发,相炳坤,赵礼刚,王珉. 稀有金属材料与工程. 2007(04)
[7]化学气相沉积光学级金刚石薄膜的研究进展[J]. 熊礼威,汪建华,满卫东,曹菊琴. 激光与光电子学进展. 2006(07)
[8]量子计算的研究进展[J]. 周正威,黄运锋,张永生,郭光灿. 物理学进展. 2005(04)
[9]量子点单光子源及其制备方法研究进展[J]. 王浩,廖常俊,王金东,刘颂豪. 物理学进展. 2005(04)
[10]量子计算的物理实现[J]. 薛飞,杜江峰,周先意,韩荣典. 物理. 2004(10)
博士论文
[1]单晶金刚石中色心的光学性质研究[D]. 高远飞.郑州大学 2019
[2]金刚石中NV色心的温度特性研究[D]. 李聪丛.中国科学技术大学 2017
[3]金刚石NV色心的制备、相干性与温度探测研究[D]. 王俊峰.中国科学技术大学 2016
[4]量子点单光子源在量子信息中的应用及量子维度的研究[D]. 孙永南.中国科学技术大学 2016
[5]基于量子点的高品质单光子源和相干性质研究[D]. 魏宇佳.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]MPCVD制备多层金刚石膜[D]. 陈义.武汉工程大学 2017
[2]常温单光子源的制备与测试[D]. 张革.北京交通大学 2015
[3]高质量光学级金刚石膜的制备与研究[D]. 罗福平.武汉工程大学 2014
[4]表面修饰对金刚石NV色心的影响及Cr基色心结构稳定性的理论研究[D]. 刘荣.华南理工大学 2013
[5]纳米金刚石应用研究[D]. 于雁武.中北大学 2006
[6]氢终止金刚石（001）表面的第一性原理研究[D]. 于洋.吉林大学 2004
本文编号：3616058
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3616058.html
