ダイヤモンド表面近傍の電子スピン制御による単一核スピンの観測

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ダイヤモンド表面で、n型反転層形成により、表面側のNVセンターを100%NV-にすることで、高感度で局所NMRを行うことが本研究の目的である。反転層形成には、正の電子親和力(χ＝+1.5-2.0eV)を有する酸素終端ダイヤモンド表面を利用する。それよりも小さな電子親和力をもつSiO2(χ＝+0.95eV)をこれらの酸素終端ダイヤモンド表面に形成することで伝導帯のバンドオフセットΔEC>0.5eVを形成し、ダイヤモンド側に伝導電子の蓄積で100%NV-にする。オフセットΔEC>0.5eVとなる絶縁膜はSiO2が最も優れている。反転層形成用ゲート絶縁膜としてはSi熱酸化膜が最もよい。Si熱酸化膜をダイヤモンド上に形成するために、Siでダイヤモンド表面を被覆し、熱酸化を行った。Siの被覆がなければ、ダイヤモンド表面が酸化エッチングされる条件でも、ダイヤモンド表面は安定であった。この結果、熱酸化SiO2/ダイヤモンド界面を形成することに、初めて成功した。この構造に透明電極を形成した金属-酸化物(SiO2の場合)-半導体(MOS)構造を形成し、電子・正孔対を形成し、電子を表面側に捕集して、容量-電圧法(C-V法)にて電子がMOS界面に蓄積しているのを観測する予定である。いまだ報告例のない10nm以下の浅いNV-センターの形成に最も重要な技術であり、熱酸化SiO2/ダイヤモンド界面を形成の意義は大きい。局所NMRでは、DNAおよびRNAのコンフォメーション等のダイナミックな運動の観察が将来の目的であるが、まずはこれら核酸の基本構造となる31P核スピンのNMRをダイヤモンド表面近傍のNV-で観測する技術を、ダイヤモンド上のSiO2中の31P（原子密度で約1%）で測定する試料作製を行った。ダイヤモンド外の31Pの検出として、SiO2中の31P の単一核スピンとNV-電子スピンのエンタングルメント状態でNMR観測を行った。明確な31Pでピークの確認を今後行う。この結果は、生体分子の局所NMR観測の第一歩として意味がある。