金刚石铍-空位量子色心、应用及制备方法

1.本技术涉及量子信息技术的技术领域，尤其涉及金刚石铍-空位量子色心、应用及制备方法。


背景技术：

2.金刚石是一种具有超高硬度、高热导率、高化学稳定性的宽禁带材料，因此，含有量子色心的金刚石材料因此可应用在复杂恶劣的环境中。
3.金刚石量子色心，以氮-空位色心为代表，是一种具有基态三重态的量子自旋系统。金刚石氮-空位色心在室温下具有毫秒级别的相干时间，易于通过激光进行相干调控，可应用于量子传感、量子计算、量子通讯等量子信息领域。金刚石量子色心具有原子级尺度大小，因此金刚石量子色心可应用于微观量子信息领域，例如应用于微纳尺度的量子传感技术，可应用于生物、化学及物理研究。
4.金刚石氮-空位色心仍含有较多缺陷影响其相干性质，其相干时间也有待继续提高，其荧光强度也较弱。氮-空位色心还存在电荷不稳定的缺点，电荷不稳定意味着氮-空位色心会产生荧光闪烁，无法进一步进行稳定的量子调控。研究人员一直在寻找其它色心，以丰富金刚石量子色心的研究。另外比较常见的金刚石量子色心是硅-空位色心、磷-空位色心、以及锗-空位色心等，而金刚石量子色心设计标准是根据加州大学david awschalom教授[weber j r,koehl w f,varley j b,et al.quantum computing with defects.proceedings of the national academy of sciences,2010,107(19):8513-8518]提出的标准，主要有：基态到激发态的激光波长必须在合理范围内(能够找到合适的激光器)、色心缺陷态必须能够抵御温度波动(即保证室温中保持基态三重态)等。
[0005]
制备金刚石量子色心的方法主要有气相沉积法(cvd)法及离子注入法。cvd法制备出的金刚石材料缺陷较少，量子噪声较小；离子注入法制备的量子色心，优点是色心位置可控性比较高，缺点是含有较多缺陷，晶体质量较差。然而对于性质较为活泼的金属元素以及有毒元素来说，不适用使用cvd法来掺杂进入金刚石，因为性质较为活泼的金属元素较难制备，而有毒元素容易在生长腔内残留，最终可能污染腔室，影响金刚石薄膜的生长。因此涉及到性质较为活泼的金属元素以及有毒元素，则使用离子注入法较为合适。


技术实现要素：

[0006]
有鉴于此，本技术提供金刚石铍-空位量子色心、应用及制备方法，能够较为广泛地应用于量子信息领域。
[0007]
第一方面，本技术提供一种金刚石铍-空位量子色心，以be原子为色心空位所形成的金刚石量子色心结构。
[0008]
合适但非限制性地，所述金刚石量子色心结构中，还包括以n和/或p原子为掺杂缺陷原子。
[0009]
第二方面，本技术提供一种如上述金刚石铍-空位量子色心的应用，其在可见光荧
光识别上的应用。
[0010]
合适但非限制性地，可见光的波长为575nm附近。
[0011]
第三方面，本技术提供一种如上述金刚石铍-空位量子色心的应，其在量子材料方面的应用。
[0012]
第四方面，本技术提供一种如上述金刚石铍-空位量子色心的制备方法，包括以下步骤：
[0013]
s1、提供金刚石；
[0014]
s2、使铍原子离子注入法掺入所述金刚石内；
[0015]
s3、对经过s2处理的金刚石进行包括退火的后处理；
[0016]
s4、使经过后处的金刚石形成金刚石量子色心结构。
[0017]
合适但非限制性地，在s1中，金刚石为单晶金刚石。
[0018]
合适但非限制性地，在s1之前，还包括对金刚石进行表面处理。
[0019]
合适但非限制性地，所述后处理还包括在退火之后的表面处理。
[0020]
以上提供金刚石铍-空位量子色心、应用及制备方法，设计了一种金刚石铍-空位量子色心，该量子色心可以在室温下保持基态三重态，零声子线在575nm
[0021]
内，在可见光范围内，易于进行荧光识别；该量子色心可以保持较为稳定的电5荷态。进一步的，基于量子调控技术，该铍-空位量子色心可应用于量子传感、量子通讯、量子计算等领域。
附图说明
[0022]
下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0023]
图1为本技术实施例提供的铍-空位量子色心的微观结构图。
[0024]
图2为本技术实施例提供的铍-空位量子色心的能级图。
[0025]
图3为本技术实施例提供的铍-空位量子色心的基态自旋电子密度图。
[0026]
图4为本技术实施例提供的铍-空位结构在不同电荷态下的形成能图。
[0027]
图5为本技术实施例提供的制备铍-空位量子色心制备方法的流程图。
5具体实施方式
[0028]
下面将结合本技术实施例，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0029]
0在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，
[0030]
而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0031]
5在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安
[0032]
装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，
或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0033]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0034]
如图1所示，为铍-空位量子色心的微观结构图一。
[0035]
如图1所示，中间最大的“球体”为铍元素，其它“球体”为碳元素。
[0036]
如图1所示，铍-空位指的是，在金刚石中，一个铍原子替代一个碳原子a，并去除铍原子临近的一个碳原子b成为“空位”，弛豫后，铍原子移动到碳原子a及“空位”之间，即形成铍-空位结构。
[0037]
如图2所示，为铍-空位量子色心的能级图，该图是通过第一性原理计算得到，采用的是hse06杂化泛函，该能级图指的是铍-空位量子色心基态情况下的价电子能级位置。
[0038]
如图2所示，铍-空位量子色心的价电子能级分别为a1(1)、a2(2)、e
x
、ey、a1(1)’、a2(2)’、e
x’、e
y’。其中，a1(1)、a2(2)、e
x
、ey为上自旋的占据态，a1(1)’、a2(2)’为下自旋的占据态，e
x’、e
y’为下自旋的非占据态。
[0039]
如图2所示，铍-空位量子色心的基态为三重态，三重态的电子来自于e
x
、ey，满足了量子色心的基本条件。
[0040]
如图2所示，铍-空位量子色心e
x
与e
x’的能级相差约为2.46ev，ey与e
y’的能级相差约为2.46ev，2.46ev足够大，使得该量子色心能够在室温下稳定的存在，即室温下，e
x
或者ey上的电子不会自发跃迁到e
x’或者e
y’上，能够保持基态自旋三重态。
[0041]
如图3所示，为铍-空位量子色心基态时，e
x
与ey相加后对应的电子密度图，该图是通过第一性原理计算得到，采用的是hse06杂化泛函，电子云主要集中在铍-空位量子色心附近，该电子云也是基态自旋三重态的主要电子来源。
[0042]
如图4所示，为铍-空位(be-vacancy，简称bev)结构在不同电荷态下的形成能图，bev0、bev1、bev-1
、bev-2
、bev2分别代表了bev的0、1、-1、-2及2电荷态。该图是通过第一性原理计算得到，采用的是hse06杂化泛函。形成能是以bev0的形成能为基准，即假设bev0的形成能为0ev。铍-空位量子色心特指bev-2
，即bev处于-2价态时的情况。
[0043]
为了使得铍-空位量子色心的电荷态更加稳定，那么需要提高金刚石的费米能级，主要是通过注入磷原子来提高金刚石材料的费米能级。
[0044]
根据第一性原理计算，铍-空位量子色心零声子线在575nm附近，是人类肉眼可以观察到的可见光波长范围内。
[0045]
铍-空位量子色心处于基态三重态时，当光照射到铍-空位量子色心时，a1(1)’或者a2(2)’上的一个电子会被激发到e
x’或者e
y’轨道上，使得激发态也为三重态。铍-空位量子色心处于激发态三重态时，当e
x’或者e
y’轨道上一个电子回落到a1(1)’或者a2(2)’上时，那么铍-空位量子色心则会观测到荧光。通过拉曼光谱测试测得铍-空位色心的零声子线在
575nm附近。
[0046]
如图5所示，为制备金刚石铍-空位量子色心的步骤。
[0047]
步骤1：准备好单晶金刚石样品，作表面预处理。金刚石样品尺寸为3mm*3mm*0.25mm，但不限于此。
[0048]
步骤2：通过离子注入机，注入铍原子。铍元素属于有毒元素，适合用离子注入法掺入金刚石。
[0049]
步骤3：通过离子注入机，再注入磷原子，以提高金刚石的费米能级。
[0050]
步骤4：对金刚石进行退火、表面处理等后处理操作。退火主要是为了将金刚石中的原子空位逐步迁移到铍原子附近，形成铍-空位结构。
[0051]
步骤5：得到含有铍-空位色心的金刚石，拉曼光谱测试测得镓-空位色心的零声子线在575nm附近。该含有铍-空位色心的金刚石可以用于量子传感、量子通讯、量子计算等领域。
[0052]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。