一种金刚石NV色心阵列制备方法及系统

本发明涉及nv色心阵列，特别涉及一种金刚石nv色心阵列制备方法及系统。

背景技术：

1、金刚石nv色心（氮n-空位色心v）是金刚石中氮原子替换碳原子并在临近形成一个空穴组成的发光点缺陷，广泛应用于量子传感、量子信息等领域。两个或多个金刚石nv色心相互作用可形成量子纠缠态，这是基于金刚石的量子计算、量子网络等量子技术的基础，nv色心之间要形成量子纠缠，要求相互距离不能太远否则无法形成强纠缠，也不能太近否则难以精确区分单个色心，一般情况下要求间距在100nm以内，因此，在金刚石内部可控地制备出间距在百纳米量级的nv色心阵列，是实现多量子比特纠缠的核心前提，具有重要的研究价值和迫切的应用需求。

2、目前金刚石nv色心的传统制备方法主要是随机氮离子注入法，其步骤包括：首先选用高纯度金刚石（ⅱa型或cvd生长），通过强酸混合液煮沸清洗表面污染物，并进行氢等离子体处理或氧化处理获得终端表面，然后设置于试验平台上，并采用非聚焦离子束束斑直径≥3mm，以高速20kev-60kev注入n2+或n+离子，离子束在高速下直接轰击整个样品表面，注入剂量通常为10¹¹-10¹5ions/cm²，接着在真空或惰性气氛中于800℃-1050℃退火1小时-4小时，促使空位扩散并与氮原子结合形成nv色心，然而，随机氮离子注入导致氮原子和nv色心在金刚石内部的位置完全随机，相邻色心之间的距离从几十纳米到数微米不等，要形成多量子比特纠缠，就需要找到n个nv色心，并使得任意两个之间的间距均满足百纳米量级的纠缠条件，这些色心的位置需要精确已知，以便后续量子态操控，然而，在随机注入的样品中，找出2个满足间距≤100nm的色心尚且可行，但数量n≥3时，同时满足多个色心之间两两间距均≤100nm的概率极低，实际几乎无法找到，因此，传统方法无法制备出位置确定、间距可控、数量已知的nv色心阵列，导致三量子比特及以上的多体纠缠态无法构建，严重制约了基于金刚石nv色心的可扩展量子计算和量子网络的发展。

3、

技术实现思路

1、本发明提供一种金刚石nv色心阵列制备方法及系统，可以制备出位置确定、间距可控、数量已知的nv色心阵列。

2、本发明提供了一种金刚石nv色心阵列制备方法，包括以下步骤：

3、将氮气离子化，形成氮离子，通过高压电加速氮离子，并将加速后的氮离子调制为可控的脉冲式氮离子束流，；

4、使脉冲式氮离子束流通过一个百纳米级直径的准直孔，形成单离子注入束斑，单离子注入束斑沿束流方向注入金刚石样品的目标位置；

5、实时探测单离子注入束斑注入注入金刚石样品过程中产生的二次电子，当探测到二次电子时，立即暂停脉冲式氮离子束流的供束；

6、暂停脉冲式氮离子束流的供束期间，将金刚石样品在二维平面内移动一个预设的百纳米级步长；

7、恢复脉冲式氮离子束流的供束，进行下一次单离子注入束斑的注入；

8、重复上述步骤，直至在金刚石样品上形成周期性均匀排列的nv色心阵列。

9、较佳地，将氮离子高压加速至10kev-40kev。

10、较佳地，准直孔的直径为15nm-25nm。

11、较佳地，实时探测二次电子的步骤中，在准直孔与金刚石样品之间设置一个由负电压形成的引导电场，将注入激发的二次电子偏转至侧方进行探测，并输出用于控制脉冲式氮离子束流的供束暂停与恢复的触发信号。

12、较佳地，预设的百纳米级步长为100nm。

13、本发明还提供一种金刚石nv色心阵列制备的系统，设置于试验平台上，包括：离子束生产单元、束斑约束单元、二次电子探测单元、样品承载位移单元和反馈控制单元，离子束生产单元包括同向依次排列的离子源、高压加速模块和斩波器，脉冲式氮离子束流的供束与暂停，离子源将氮气离子化，并通过高压加速模块加速进入斩波器内，以使氮离子调制为可控的脉冲式氮离子束，束斑约束单元包括高分子薄膜，且设置于斩波器的出口一侧，准直孔开设于高分子薄膜上，准直孔正对斩波器的出口中部，二次电子探测单元设置于高分子薄膜与金刚石样品之间，二次电子探测单元包括用于施加负电压以形成引导电场的引导部件以及用于捕获引导二次电子的二次电子探测器，样品承载位移单元设置金刚石样品的底部，用于承载金刚石样品并执行预设步长的二维位移，二次电子探测器设置于样品承载位移单元上，反馈控制单元分别与二次电子探测器、斩波器以及样品承载位移单元电连接，随着接收二次电子探测器输出的触发信号，其向斩波器发出暂停供束指令，并同时向样品位移台发出步进指令，待样品位移台完成位移后，向斩波器发出恢复供束指令。

14、较佳地，高分子薄膜为倾斜设置，其厚度为2μm-10μm，调节薄膜通过倾斜的夹角，以使水平延伸的脉冲式氮离子束流通过高分子薄膜时，等效通过准直孔的理想孔径。

15、较佳地，引导部件包括前电极板和后电极板，前电极板和后电极板同轴相对设置，两者之间留有间距且中心均开有以供脉冲式氮离子束流通过的通孔，前电极板和后电极板均设置于高分子薄膜与金刚石样品之间，二次电子探测器连接于前电极板或后电极板的侧部，前电极板与后电极板固连，且两者均连接于试验平台上。

16、较佳地，样品承载位移单元包括串联式多自由度平移台以及集成于其上的二维纳米压电精调台以及电控元件，串联式多自由度平移台用于金刚石样品的全局定位和姿态校准，反馈控制单元与电控元件电性连接以控制二维纳米压电精调台执行预设步长的周期性步进。

17、较佳地，高分子薄膜通过支架安装于多维移动台上，该移动台为可调节准直膜的倾斜角度的六轴并联位移台，多为移动台设置于试验平台上。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过将氮气离子化并经高压加速后调制为可控的脉冲式氮离子束流，配合百纳米级直径的准直孔对束流进行空间限域以形成单离子注入束斑，结合二次电子的实时探测反馈实现供束的即刻暂停，并在暂停期间驱动金刚石样品在二维平面内完成百纳米级步长的精确位移后恢复供束，通过循环重复上述步骤直至在金刚石样品上形成周期性均匀排列的nv色心阵列，从而一举解决了传统随机氮离子注入法因氮原子与nv色心位置完全随机、相邻色心间距从几十纳米到数微米不等而导致n≥3的多体纠缠态无法构建的长期技术难题，实现了从统计随机到原子精准的制造范式跨越。

19、具体的，本方法通过百纳米级准直孔将原本宏观弥散的离子束斑压缩至百纳米尺度，使注入的空间分辨率从传统方法的毫米级直接跨越三个数量级以上，从而为百纳米间距的周期性阵列注入奠定了空间定位基础，而二次电子实时探测与斩波器暂停供束的闭环反馈机制则确保每一次供束仅完成单个氮离子的注入，从根本上避免了传统方法中因连续轰击导致同一注入位点剂量呈泊松分布、单点可能注入0至n个氮原子的剂量涨落问题，同时暂停供束期间驱动样品完成百纳米级步长位移这一时序设计巧妙地将离子注入动作与样品位移动作在时间上完全解耦，既保证了单离子注入的确定性又保证了阵列间距的精确可控性，最终通过循环迭代在整片样品上形成周期均匀的nv色心阵列，使得任意两个相邻nv色心之间的间距均为预设的百纳米级数值，从而为三量子比特及以上的多体纠缠态的构建提供了确定性的物理实现平台，在本发明所提供的方法中，氮气首先经离子源离子化后由高压加速模块加速至高能量，随后通过斩波器被调制为脉冲式氮离子束流，该脉冲式氮离子束流穿过百纳米级直径的准直孔后被限域为单离子注入束斑并沿束流方向注入金刚石样品的目标位置，当氮离子撞击样品表面时激发出二次电子，二次电子被实时探测后即刻输出触发信号，斩波器根据该触发信号立即暂停脉冲式氮离子束流的供束以确保当前位点仅注入单个氮离子，随后在供束暂停期间由样品承载位移单元将金刚石样品在二维平面内移动一个预设的百纳米级步长，移动完成后斩波器恢复供束进行下一个位点的单离子注入，如此循环往复直至完成全部预设阵列位点的注入，最终经退火处理后即形成周期性均匀排列的nv色心阵列。