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

通过控制金刚石表面附近的电子自旋来观察单核自旋

• 批准号: 26249043
• 负责人: 川原田 洋
• 金额: $ 9.65万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-26249043/
• 关键词: ダイヤモンド; スピンエレクトロニクス; 電子デバイス

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。

这项研究的目的是通过在钻石表面形成N型反转层，并使表面侧的NV中心100％NV-进行高灵敏度的局部NMR。使用具有正电子亲和力的氧终止钻石表面（χ=+1.5-2.0 eV）形成倒层。通过形成具有比电子亲和力较小的SIO2（χ=+0.95EV），在这些氧终止钻石的表面上，传导带的谱带偏移由ΔEC> 0.5EV形成，并且在钻石侧的传导电子浓度为100％NV-。 SIO2是最佳绝缘膜，其偏移量为ΔEC> 0.5EV。 Si热氧化物膜是用于形成反转层的最佳门绝缘膜。要在钻石上形成Si热氧化物膜，将钻石表面涂有Si并进行热氧化。如果没有Si涂层，即使在将钻石表面氧化的条件下，钻石表面也是稳定的。结果，这是第一次形成热氧化的SiO2/钻石界面。形成了在该结构上形成的透明电极的金属氧化物（在SIO2的情况下） - 氧化物（MOS）结构，形成了电子孔对，将形成电子孔对，将电子和孔在表面侧收集，并使用电容效率方法（C-V方法）在MOS界面上积累了电子孔。这是尚未报道的浅NV中心形成浅NV中心的最重要技术，并且形成热氧化的SiO2/Diamond界面的重要性很棒。局部NMR的未来目标是观察动态运动，例如DNA和RNA构象，但首先，通过使用一种技术来观察31p核自旋的NMR，通过测量31p（约1％）的Sio2中的31p（约1％）来制备样品，这是这些核酸的基本结构，这是这些核酸的基本结构，在NV-NV-nav-diaonds的表面。作为钻石外31p的检测，在SIO2中的单个核自旋和31p的NV-电子自旋的纠缠状态下进行了NMR观测。将来，我们将在31便士上确认高峰。该结果是局部NMR观察生物分子的第一步，这是有意义的。