金刚石铈空位缺陷第一性原理计算及NV色心实验制备研究

发布时间：2020-11-08 21:33

　　 当前量子通讯领域发展日新月异,单光子源是影响通讯安全性的重要因素,然而当下研究的各种单光子源的性能各有优劣。为了探究一种新型的金刚石CeV相关缺陷的单光子源是否存在,以及其可能存在的结构形式和电子结构,本文采用理论计算与实验相结合的方法对铈空位缺陷存在形式和相关性质进行了研究。为验证该相关缺陷能否成为一种发光中心提供理论依据,同时进一步验证其能否成为一种优秀的单光子源,并且应用于量子通讯等领域奠定了理论基础。本文采用第一性原理的方法,利用VASP软件包,对当前研究最为深入的金刚石氮空位(NV)色心进行了计算,确定了电荷转移及其成键情况,进行了能带和能级分析,通过文献对比,证明了计算方法的准确性,为之后的金刚石铈相关缺陷的研究奠定基础。研究了金刚石CeV色心3种可能存在的构型,利用内聚能和形成能的计算,从理论上确定当Ce位于替代位,且旁边存在两个空位的CeV_2结构最为稳定,弛豫后Ce原子位于三空位中心。然后分析了这一稳定结构的电荷转移情况,并计算分析了其能带和态密度结构,通过能级分析确定其可能的荧光波长。之后对金刚石CeV_2色心结构内存在N、Si、B三种杂质原子时,建立了8种不同的共掺杂结构,并将杂质原子放置在结构内的不同位置,通过对结构内聚能的计算,确定了不同杂质原子在金刚石CeV色心内存在的稳定结构;然后对各稳定结构的电子结构进行了计算,通过分析不同共掺杂结构的能带和态密度,确定了不同杂质在金刚石CeV_2色心中存在时,对金刚石CeV_2色心荧光跃迁能级产生的影响,为之后的实验探究制备检测CeV色心提供了理论指导。利用微波等离子化学气相沉积设备(MPCVD)制备了金刚石NV色心,通过荧光检测结果证明了实验方法及相关参数的正确性,为后续制备金刚石CeV色心积累了实践经验。同时我们制定了利用MPCVD制备CeV色心的实验方案,以及相应的操作流程和初步参数,为后续实验制备样品提供指导。
【学位单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O413;TN918;O773
【部分图文】：

内蒙古科技大学硕士学位论文-3-图1.1金刚石晶胞结构图[13]纳米金刚石结构通常具有纳米维度结构单元以及较大的界面和自由表面，同时不同结构单元之间存在一定的交互作用。通常纳米金刚石呈现黑色或灰色，掺氮元素呈黄色，掺硼元素呈蓝色[14]。纳米材料一般是指其自身有一维亦或一维以上的尺寸处于纳米维度内，或者材料是以纳米材料为基本组成单元，相当于10-100个物质原子的尺度构成。因为纳米颗粒的尺度与电子的相干长度相近，所以在强相干作用下，会导致其性质发生变化。金刚石是无论是天然存在还是人工合成的，根据含氮量分为Ⅰ型和Ⅱ型，其中Ⅰ型为氮杂质含量较多，Ⅱ型为氮杂质含量较少，根据光学透明度或者光吸收能力分为a型和b型，其中a型光学透明度较好，而b型具有一定的光学吸收能力[15]。实际研究中当金刚石氮含量>5ppm时，将其称为Ⅰ型金刚石，依据氮在金刚石内的存在方式的不同可以将其分为Ⅰa型金刚石及Ⅰb型金刚石，其中氮在金刚石内是以聚合方式存在的称为Ⅰa型金刚石，而氮以分散的替代位方式存在的则称为Ⅰb型金刚石；当氮的含量<5ppm时，将其称为Ⅱ型金刚石，并且依据金刚石内杂质的主要成分将其分为Ⅱa型金刚石和Ⅱb型金刚石，氮作为主要杂质时称其为Ⅱa型金刚石，然而当主要杂质是硼原子时称其为Ⅱb型金刚石[16]。通常合成金刚石的方法主要有化学气相沉积（CVD）、高温高压法、爆炸法等。通过化学气相沉积法合成金刚石的优点是：可以选择不同的基底来生长金刚石，并且晶体的大小和密度都可以控制[17]，还可以定向的引入不同的杂质[18,19]。在研究中，色心是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种可导致可见光谱区的光吸收的缺陷。

内蒙古科技大学硕士学位论文-4-色心的性质：由于晶体中空位缺陷的影响，色心会产生相关的效应。实际中大多数色心的效应与空位缺陷有关，同时也存在一部分与间隙离子有关的色心。其主要特征如下[20]：晶体的结构会对色心的吸收带产生影响，色心浓度越大，会导致色心吸收带越强。另外晶格振动会导致能量的分布发生改变，当温度升高时引起吸收带的变宽。晶体中如果存在F心（由一个负离子晶格空位束缚一个电子构成），V心，M心(两个相邻的F心形成一个M心)和R心(三个F心形成一个R心)，会导致晶体密度的下降。在一定的环境下不仅会引起色心的褪色现象，还会导致辐照产生的缺陷会相较于化学掺杂产生的缺陷更容易褪色。色心可能有一定的光导活性，而且不同色心能够相互转换。金刚石NV色心由于具有光学稳定性和电子自旋以及其固态量子比特比较理想等优点，使其成为一种性能优异的量子固体单自旋基质材料[21]。金刚石NV色心由一颗占据金刚石晶格位置的氮原子与一颗相邻晶格位置的空缺组成，其结构如图1.2所示，从图中可以看出，以氮原子和近邻空位的连接轴为轴，NV色心具有C3v的对称性，对称轴沿着金刚石的[111]轴[22]。图1.2金刚石NV色心结构示意图[22]NV色心以带负电的NV-和中性的NV0两种形式存在于金刚石中。其中，NV-色心所携带的电子可由附近的一个完全替换碳原子位置氮原子提供，或者由电子束辐射的方式提供。研究表明NV-与NV0可在人为操作下转换[23]，一是加载红外脉冲激光束辐射NV0,通过附近杂质为其提供电子；二是用较强的激发光长时间照射下，源于对附近杂质原子的光致电离[24]；三是对金刚石样品表面处理方式也能影响浅层NV色心的电性[25]。

内蒙古科技大学硕士学位论文-5-在实际应用上，带负电的NV-比中性的NV0更重要。NV-缺陷在量子光学领域获得广泛的关注，因为它是目前唯一演示出相干光效应如电磁感应透明和相干布居捕获的金刚石色心。单个的NV-具有六个未配对电子：其中五个来自于邻近的碳原子和固有的氮原子，还有一个电子在缺陷位置被捕获而形成负电荷态[26]。实验中测得金刚石NV0和NV-色心的荧光光谱如图1.3所示。检测过程中激发波长为532nm，从图中能够清晰看到两种金刚石NV色心的零声子线(ZeroPhononLine,ZPL)分别位于575nm和637nm处。图1.3金刚石NV色心荧光光谱图[2]。虽然基于单个金刚石NV-色心的量子密钥分配已经研制成功，但其激发态荧光寿命长，这就不能实现单光子源的高效率激发[27]。2014年AndrewMagyar等[11]采用逐层的方法（Alayer-by-layer）,首先将带正电的聚合物静电组装于已经氧化过的金刚石表面，然后基于这一表面组装带负电的含Eu配合物，之后把已经组装好的金刚石放入到化学气相沉积室，随后生成掺Eu的金刚石层。经过CL信号记录显示在460nm(归因于金刚石中的氮聚集体)，738nm的窄峰SiV和集中在612nm处的发射集中在a波段（归因于金刚石中Eu的混合物）。荧光测量表明，Eu在金刚石晶格中仍保留了Eu的光学特征，并且由所观察到的荧光与SiV发射的次序相同，我们推断Eu的浓度在p.p.m水平。Eu缺陷在金刚石中荧光寿命为325us，在块体样品中寿命略长为391us。
【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 崔雨潇;张建国;孙方宏;张志明;;硅掺杂CVD金刚石薄膜(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2013年10期

2 陈苏琳;沈彬;张建国;王亮;孙方宏;;CVD掺硅金刚石残余应力的X射线衍射和拉曼光谱分析(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年12期

3 龚孟濂,曾春莲,石建新,黄伟国,谢国伟,郑婉华;多孔硅和掺镨多孔硅的光致发光[J];无机化学学报;1999年01期

4 俞世吉,邬钦崇,隋毅峰;基片预处理对MWPCVD金刚石薄膜的影响[J];真空科学与技术;1998年04期

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1 高远飞;单晶金刚石中色心的光学性质研究[D];郑州大学;2019年

2 陈耿旭;表面等离子体增强效应下的荧光显微成像研究及应用[D];华东师范大学;2015年

3 胡伟;碳纳米材料的第一性原理研究[D];中国科学技术大学;2013年

4 刘晓迪;NV色心耦合和能量转移机制[D];中国科学技术大学;2013年

5 王小平;金刚石薄膜电致发光特性研究[D];郑州大学;2002年

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1 王生毅;金刚石NV色心系综制备与表征技术研究[D];中北大学;2018年

2 王宇;金刚石中高浓度NV色心的制备和光谱表征[D];华东师范大学;2018年

3 翟陈婷;纳米金刚石NV色心的制备与荧光增强[D];中北大学;2016年

4 孙鹏;金刚石中NV与Ns缺陷相互作用研究[D];南京大学;2016年

5 张革;常温单光子源的制备与测试[D];北京交通大学;2015年

6 李正国;闪烁晶体LaBr_3:Ce的辐照损伤研究[D];中国计量学院;2014年

7 辛丽;三维多孔钛基掺硼金刚石薄膜电极的制备与性能研究[D];吉林大学;2014年

8 刘荣;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];华南理工大学;2013年

9 顾珊珊;硼掺杂纳米金刚石薄膜的微结构与电学性能研究[D];浙江工业大学;2013年

10 于洋;氢终止金刚石（001）表面的第一性原理研究[D];吉林大学;2004年

本文编号：2875378