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Epitaxie hochreiner Diamantschichten

Remfort, Reinhard GND

Das Stickstofffehlstellenzentrum (NV-Zentrum) in Diamant gehört dank seiner einzigartigen photoelektrischen Struktur zu einem der am besten untersuchten und für eine Vielzahl von Anwendungen, wie die Verwendung als Q-bit, Einzelphotonenquelle oder als hochempfindlicher Magnetsensor, zu den viel versprechendsten Defekten im Diamantgitter. Grundlage vieler dieser Anwendungen ist, neben der engen Verknüpfung der optischen und quantenmechanischen Eigenschaften, vor allem die Langlebigkeit des Spin Tripletts des Zentrums unter normalen Umgebungsbedingungen. Einer der wesentlichen limitierenden Faktoren für diese Langlebigkeit sind Spin-Spin- Wechselwirkungen zwischen dem Spin des negativ geladenen NV-Zentrums und in der Nähe befindlichen paramagnetischen Verunreinigungen. Die hierbei sowohl in natürlichen als auch in synthetisch hergestellten Diamanten am häufigsten auftretende Verunreinigung ist substitutionell eingebauter Stickstoff.

Aufgabe dieser Arbeit war daher im Rahmen des Kooperationsprojekts “Er- zeugung und Untersuchung oberflächennaher Spin-Zentren in hochreinem Diamant“ die Konzeption und Optimierung einer Syntheseanlage für hochreine Diamantschichten und die anschließende Synthese solcher Schichten für die Untersuchung oberflächennaher NV-Zentren. Im weiteren Verlauf dieses Projektes konnten mehrere NV-Ensemble durch Ionenimplantation von Stickstoff gezielt oberflächennah erzeugt und mittels optisch detektierter Magnetresonanz (ODMR) bezüglich ihrer Kohärenzzeit charakterisiert werden. Bei der chemisch physikalischen Analyse konnte gezeigt werden, dass die hier synthetisierten Diamantschichten bei geeigneten Prozessparametern lediglich einen Stickstoffanteil von < 5 ppb aufweisen, was unterhalb des Stickstoffgehalts kommerziell erhältlicher Diamantsubstrate liegt.

Because of its unique photoelectric structure the nitrogen vacancy center (NV-center) in diamond is one of the most studied and most promising defects for applications like quantum computers, single photon sources or highly sensitive magnetic sensors. The basis of many of these applications, apart from the strong correlation between the optical and quantum mecha- nical properties of the center, is the extremly long coherence time of the spin triplet state at normal environmental conditions. A limiting factor for this cohrence is the spin-spin interaction between the spin of the negatively char- ged NV-Center and nearby paramagnetic impurities of the diamond lattice. The most common impurity, in both natural and synthetical diamonds, is substitutional nitrogen.

The goal of this work was the conception, construction and optimization of a system for the synthesis of high-purity diamond films and the subsequent synthesis of such films for the investigation of near-surface NV-centers as part of the cooperation project ”Generation and investigation of near-surface spin centers in high-purity diamond”. During the project several near-surface NV ensembles were generated by low energy ion implantation of nitrogen and cha- racterized by optically detected magnetic resonance (ODMR). It was possible to show, that the synthesized diamond films have a very low nitrogen con- tent of less than 5 ppb, which is below the nitrogen content of commercially available diamond substrates.

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Remfort, Reinhard: Epitaxie hochreiner Diamantschichten. 2019.

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