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金刚石色心原位测量杂质、缺陷和界面态的机理和方法研究

批准号:
52072087
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
代兵
依托单位:
学科分类:
碳素材料与超硬材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
代兵

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
金刚石内杂质缺陷及与其他材料形成的异质界面是影响和决定其优异特性是否充分发挥的关键,其中的原子结构、键合态、物态性能甚至新奇量子特性的观测难以采用常规方法实现。金刚石色心由氮、硅等掺杂原子与邻近空位形成,却具有宏观可观测的荧光辐射特性,多用于检测材料表面的吸附杂质的特性,无法对材料内杂质、缺陷和界面进行性能表征和新奇现象探索。本项目通过与缺陷杂质邻近区域形成色心,建立局域场与色心自旋相互作用模型,检测色心的宏观荧光辐射特征进而实现原子级表征和调控甚至新奇量子现象研究。主要创新点在于:(1) 基于金刚石色心含有空位的特点,利用空位与缺陷相互转化和作用的机制和数理关系,建立色心与缺陷的耦合关系和作用模型;(2) 利用金刚石NV色心的非对称原子结构特征以及SiV色心中空穴的对称结构和自旋简并基态的特点,分别对极化场和非极化场进行高灵敏度检测;(3) 利用金刚石色心对界面热阻及肖特基异结进行表征。
英文摘要
Impurity, defects in diamond and heterogeneous interfaces with diamond and foreign materials are the key factors affecting and determining whether their excellent properties are fully explored. The observation of atomic structure, bonding state, physical properties and even novel quantum properties near and in these factors are difficult to be achieved by conventional characterization methods. The diamond color centers exhibit fluorescent radiation in the macroscopic scale by atomically structure of doping atoms such as nitrogen and silicon and adjacent vacancies. The interaction between local fields and spins of color centers near impurities, defects and interfaces in the diamond can be well established by intentionally introducing color centers adjacent to impurities, defects and interfaces. Based on the model of interaction, the characteristics of these impurities, defects, and interfaces can be detected and characterized..The major innovations of this project are: (1) Based on the interaction model between vacancy and defects, to build the mathemitical relation of diamond color centers and defects; (2) based on hole symmetry structure of SiV color center and spin degeneracy of the ground state, the non-polar field of stress, phonon and temperature are characterized; (3) the in-situ synthesis of the cavity by the microsphere template enhances the color center radiation, and the local phonon vibration mode is enhanced according to the interface thermal resistance, and the.metal - The influence of the electric field perturbation caused by the plasmon of the diamond interface on the diamond color center characterizes the interface of the diamond heterojunction device.
本项目针对金刚石色心高精度和高灵敏度测量材料异质界面态的需求,提出了杂质掺杂、缺陷、异质界面局域场特征与金刚石色心耦合作用模型,然后制备了金刚石浅层定向排布色心阵列,结合表界面磁电噪声去除过程,最终建立了表界面态局域特征与金刚石色心宏观荧光辐射之间的内在关系。为了实现金刚石晶体的高品质生长,以晶体内部的低浓度杂质和小尺度缺陷的高灵敏度检测和表征为主要手段,开展了金刚石色心与杂质/缺陷耦合模型、氮/硅掺杂金刚石形成色心结构及性能调控、金刚石浅层色心定向排布可控制备以及界面磁电噪声抑制等方面的研究,重点突破了金刚石色心集群定向排布、色心荧光辐射高效率收集等关键科学问题,为金刚石晶体生长以及异质结器件应用提供基础理论和技术支撑。取得了以下三点研究成果:①基于金刚石色心含有空位的特点,利用空位与缺陷相互转化和作用的机制和数理关系,建立了色心与缺陷的耦合关系和作用模型;②利用金刚石NV色心的非对称原子结构特征,对含有原子磁矩、自旋和内建电场的杂质、缺陷和界面进行表征;基于SiV色心中空穴的对称结构和自旋简并基态的特点,对局部应力、声子振动和温度场等非极化场进行高灵敏度检测;③根据界面热阻形成局部声子振动模式增强、金属-金刚石界面等离子体激 元引起的电场扰动对金刚石色心的影响特征表征金刚石异质结器件界面。在本项目支持下,共进行了8次国外学术合作交流,发表期刊论文15篇,申请专利3项,作会议报告1次,国内学术学术交流1次。项目经费预算70.8万元,合计支出57.99万元,其中应付未付31万元,项目经费总执行率81.91%。
基于低缺陷CVD单晶金刚石的高电荷收集效率电离辐射探测器的基础研究
  • 批准号:
    52261135545
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    105.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    代兵
  • 依托单位:
高气压下微波等离子体化学气相沉积生长电子级高质量单晶金刚石
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    15万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    代兵
  • 依托单位:
金刚石SiV色心的荧光辐射特性及其湮灭机制研究
  • 批准号:
    51702066
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    代兵
  • 依托单位:
国内基金
海外基金