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简便快速bottom-up法制备含氮空位中心的纳米金刚石晶体

批准号:
51972035
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
唐春玖
依托单位:
学科分类:
无机非金属材料
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
唐春玖

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
利用氮空位(简称NV)中心的研究可以实现许多新兴领域的应用。本项目致力于开拓一步bottom-up法简便快速制备含NV中心的纳米金刚石晶体。采用高功率微波等离子体化学气相沉积(简称MPCVD)法,通过调节少量氮气和氧气的添加量和采用不同的实验方法来控制衬底温度等生长参数,找出含氮纳米金刚石膜特别是高定向尤其是<100>高定向的含氮纳米金刚石膜的生长方法和条件及其生长规律。通过多种表征手段和研究方法尤其是一些新拓展的傅里叶红外光谱法对获得的纳米金刚石膜的性能(晶粒大小、微结构、织构和定向等)和氮氢空位等缺陷杂质结合情况(量化、形式、位置和分布等)进行深入分析。该研究有助于澄清MPCVD法制备NCD的形成机理和缺陷杂质结合机制。通过对一些与氮氢有关的新红外峰的起源认定和结构分析来确立NV中心与生长条件之间的关联,从而实现能够有效调控NV中心结合的快速生长纳米金刚石晶体的bottom-up 法。
英文摘要
It is well known that nitrogen-vacancy (NV) centers attract worldwide attention, because it has huge potential in many new application fields. Highly oriented diamond nano- and micro-structures are highly desirable for many applications. So far, there is no report on direct fabrication of nanodiamond crystals containing NV centers using bottom-up approach. In this project, we aim at exploring bottom-up method for direct fabrication of highly oriented nitrogen-doped nanocrystalline diamond films of high growth rate. For this work, we will establish new operating parameter window to grow nanocrystalline diamond films by using high power microwave plasma chemical vapour deposition system. The growth rate, grain size, microstructure, texture and orientation, and incorporation of nitrogen and hydrogen impurities of the nitrogen-doped nanocrystalline diamond films can be tuned and controlled by the operating growth parameters and through the use of different experimental approaches. The relationship between the growth conditions and the film characteristics such as grain size, orientation, nitrogen defects will be established. This research will provide an effective method for using bottom-up approach to produce diamond nanocrystal containing NV centers for quantum computer and photonic crystal applications.
众所周知,金刚石因其具有优异的机械、物理、化学等性能而被称为终极的工程材料。纳米金刚石不仅仍然保留金刚石特有的高硬度,耐腐蚀,抗辐射等优异性能,还因为尺寸小于100纳米而具有许多新奇的特性比如表面光滑和具有生物兼容性而在微电机系统和生物医学等新兴领域具有广泛应用前景而成为近年来的研究热点。高功率微波等离子体化学气相沉积(简称MPCVD)方法,因为没有电极污染,功率高,分解气体效率高,能够提供快速生长高质量的金刚石膜而日益受到更多使用和关注。金刚石中的氮空位中心(简称NV)因为可以发射单光子而在许多新兴领域有巨大的应用前景。相对于昂贵的复杂多步的Top-down 方法制备含NV中心的纳米金刚石晶体,本项目致力于采用MPCVD开拓一步bottom-up法简便快速制备含NV中心的纳米金刚石晶体。使用氢气甲烷为主的常规反应气体,通过设计不同的实验方法,调节少量氮气和氧气的添加量和采用不同厚度和大小的硅衬底材料来调控衬底温度等生长参数,建立根据应用需要而制备出适宜的纳米金刚石材料的最佳工艺参数组合,确立含氮纳米金刚石膜,尤其是具有<100>高定向的纳米金刚石膜的生长方法和生长工艺参数范围。通过多种表征手段和研究方法比如扫描电镜,原子力显微镜,Raman光谱仪,X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱法对获得的纳米金刚石膜的性能(形貌、生长速率、结晶质量、晶粒大小、粗糙度、微结构、织构和定向等)和氮氢空位等缺陷杂质结合情况(量化关系、结合形式、结合位置和空间分布等)进行深入分析。该研究可以澄清MPCVD法制备含氮纳米金刚石膜的形成机理和氮、氢缺陷杂质结合机制。通过对一些与氮氢有关的新红外峰的起源认定和结构分析来确立NV中心与生长工艺参数之间的关联,为实现能够有效调控NV中心的结合量和结合位置的快速生长纳米金刚石晶体的bottom-up 法奠定基础。
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