金剛石傳感器、檢測器和量子裝置制造方法
【專利摘要】一種合成單晶金剛石材料，其包含：合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，其包含多個電子施主缺陷；合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，其包含多個量子自旋缺陷；和合成單晶金剛石材料的第三區(qū)域，其設置在所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間使得第一區(qū)域和第二區(qū)域被該第三區(qū)域間隔開，其中合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域和第三區(qū)域的電子施主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，并且其中所述第一區(qū)域和第二區(qū)域間隔開的距離為10nm至100μm，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域供給到合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域中形成帶正電荷的缺陷，同時該距離是足夠遠離的以便減少第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和／或產(chǎn)生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。
【專利說明】金剛石傳感器、檢測器和量子裝置
發(fā)明領域
[0001]本發(fā)明涉及用于傳感、檢測和量子處理應用的化學氣相沉積(CVD)的合成金剛石材料。
[0002]發(fā)明背景
[0003]合成金剛石材料中的點缺陷，特別是量子自旋缺陷和/或光學活性缺陷，已被建議用于各種傳感、檢測和量子處理應用，包括:磁力計；自旋共振(ESR)裝置，如核磁共振(NMR)裝置和電子自旋共振(ESR)裝置；用于磁共振成像(MRI)的自旋共振成像裝置；以及量子信息處理裝置，如量子計算。[0004]合成金剛石材料中的許多點缺陷已經(jīng)被研究，包括:含硅的缺陷，例如硅-空位缺陷(S1-V)，硅雙空位缺陷(S1-V2)，硅-空位-氫缺陷(S1-v:H)，硅雙空位氫缺陷(S-V2:H)，含鎳的缺陷；含鉻的缺陷；和含氮的缺陷，如氮-空立缺陷(N-V)，雙氮空位缺陷(N-V-N)，和氮-空位-氫缺陷(N-V-H)。這些缺陷通常是以中性電荷狀態(tài)或負電荷狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)。將注意到，這些點缺陷在多于一個晶格點上延伸。本文所用的術語點缺陷旨在包括這樣的缺陷，但不包括:較大的簇缺陷，如在10個以上的晶格點上延伸的那些缺陷，或者延伸的缺陷如位錯(其可能在許多晶格點上延伸)。
[0005]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些缺陷在其負電荷狀態(tài)時特別適合用于傳感、檢測和量子處理應用。例如，合成金剛石材料中的帶負電荷的氮-空位缺陷(NV_)作為有用的量子自旋缺陷已經(jīng)引起了許多關注，這是因為它有幾種合意的特征，這些包括:
[0006](i)能夠以高保真度(fidelity)相干操縱它的電子自旋狀態(tài)，這是由于極長的相干時間(可以用橫向弛豫時間T2和/或T/來量化和比較該相干時間)；
[0007](ii)它的電子結構允許該缺陷被光學泵浦到其電子基態(tài)，從而允許將此類缺陷置于特定的電子自旋狀態(tài)，即使在非低溫的溫度下。對于希望小型化的某些應用而言，這可以消除對昂貴且大體積的低溫冷卻設備的需要。此外，該缺陷可以充當具有相同自旋態(tài)的光子源；以及
[0008](iii)它的電子結構包括發(fā)射和非發(fā)射的電子自旋狀態(tài)，這允許通過光子讀出該缺陷的電子自旋狀態(tài)。這便于從用于傳感應用(如磁力測定、自旋共振譜學和成像)的合成金剛石材料讀出信息。此外，它是使用NV_缺陷作為長距離量子通信和可擴展量子計算的量子位元(qubit)的關鍵因素。這樣的結果使得NV_缺陷成為固態(tài)量子信息處理(QIP)的有競爭力的候選者。
[0009]如圖1a所示，金剛石中的NV_缺陷由碳空位鄰近的取代氮原子組成。它的兩個未成對電子形成電子基態(tài)的自旋三重態(tài)(3A),簡并ms=±l次能級與ms=0能級分離2.87GHz。來自于 Steingert 等人的"High sensitivity magnetic imaging using an array Ofspins in diamond", Revieff of Scientific Instruments81,043705 (2010)的圖1b 中不出了 NV_缺陷的電子結構。當進行光學泵浦時，ms=0的次能級顯示高熒光率。相反，當缺陷在ms=±i能級中被激發(fā)時，它顯示出較高的幾率跨越非發(fā)射性單重態(tài)Ca)，接著隨后弛豫到叫=0。作為結果，能夠光學讀出自旋狀態(tài)，ms=0的狀態(tài)是“亮”，以及ms = ±1的狀態(tài)是暗。當施加外部磁場時，通過Zeeman分裂打破自旋次能級^二土 I的簡并性。這引起共振譜線根據(jù)所施加的磁場幅度和其方向而分裂。這種相關性可以用于矢量磁力測定，因為能夠通過掃描微波(MW)頻率檢測共振自旋躍遷，從而導致光學檢測磁共振(ODMR)譜中的特征下降。如來自Steinert等人的圖2a所示。
[0010]Steinert等人采用離子注入以產(chǎn)生帶負電荷的NV-中心在超純{100}型IIa金剛石中的均勻層。由于來自多個感應自旋的放大熒光信號，發(fā)現(xiàn)總體的NV-傳感器提供了更高的磁靈敏度。另一種選擇是矢量重構，這是因為金剛石晶格造成四個不同的四面體附_取向，如來自Steinert等人的圖2b所示。作為用于重構全部磁場矢量的單一復合光譜和數(shù)值算法，能夠測量沿著這些軸中每一個的磁場投影?？梢酝ㄟ^基于無約束最小二乘法分析ODMR光譜計算出外部磁場的幅度⑶和取向(eB，ΦΒ)。
[0011]制造適合于量子應用的材料的一個主要問題是，防止量子自旋缺陷的消相干，或至少延長體系發(fā)生消相干所用的時間(即延長“消相干時間”)。長的消相干時間在諸如量子計算的應用中是期望的，因為它允許更多的時間用于量子門陣列的操作，并從而允許執(zhí)行更復雜的量子計算。長的消相干時間也是期望的，以便提高對傳感應用中電場和磁場環(huán)境變化的靈敏度。
[0012]W02010010344公開了單晶合成CVD金剛石材料，其具有高的化學純度，即低的氮含量，而且該金剛石材料的表面經(jīng)過處理以便使晶體缺陷的存在最小化，該材料能夠用以形成包括量子自旋缺陷的固態(tài)體系。當這種材料用作量子自旋缺陷的基質時，在室溫下可以獲得長的消相干時間并且用于裝置的讀/寫的光學躍遷頻率是穩(wěn)定的。
[0013]W02010010352公開了通過仔細控制制備單晶合成CVD金剛石材料的條件，能夠提供兼具非常高的化學純度和非常高的同位素純度的合成金剛石材料。通過控制CVD工藝中使用的材料的化學純度和同位素純度，能夠獲得尤其適合用作量子自旋缺陷的基質的合成金剛石材料。當這種材料用作量子自旋缺陷的基質時，在室溫下獲得長的消相干時間并且用于裝置的讀/寫的光學躍遷頻率是穩(wěn)定的。公開了具有低的氮濃度和低的13C濃度的合成金剛石材料的層。該合成金剛石材料層具有非常低的雜質水平以及非常低的相關點缺陷水平。此外，該合成金剛石材料層具有低的位錯密度、低應變以及與生長溫度相關聯(lián)的熱力學值充分接近的空位和自間隙濃度，其光吸收實質上是完美金剛石晶格的光吸收。
[0014]鑒于上述，很顯然W02010010344和W02010010352公開了制造高品質的“量子級”單晶合成CVD金剛石材料的方法。在本文中，術語“量子級”用于這樣的金剛石材料，其適合用于利用材料的量子自旋屬性的應用中。特別地，量子級金剛石材料的高純度使得它能夠利用本領域技術人員已知的光學技術分離單一缺陷中心。術語“量子金剛石材料”也用來指這樣的材料。
[0015]量子材料的一個問題是來自于此類材料中的量子自旋缺陷的單一光子發(fā)射可以非常弱。例如，金剛石中的NV_缺陷表現(xiàn)出與0.05階德拜-沃勒因子相關的寬光譜發(fā)射，即使在低溫下也是如此。零聲子線(ZPL)中的單光子發(fā)射是極其微弱的，通常為每秒幾千個光子的量級。這樣的計數(shù)率可能不足以實現(xiàn)先進QIP協(xié)議，該協(xié)議是基于在合理數(shù)據(jù)獲取時間內的自旋狀態(tài) 和光躍遷之間的耦合。
[0016]通過增加量子自旋缺陷的數(shù)量使得在材料中存在大量的發(fā)射物類，可以在一定程度上緩解發(fā)射微弱的問題。為了形成帶負電荷的缺陷，需要電子施主例如氮或磷。相應地，為了增加帶負電荷的缺陷的數(shù)量，可以增加材料內的電子施主的濃度。然而，這樣的電子施主可能會經(jīng)歷與帶負電荷的量子自旋缺陷的偶極耦合，從而降低帶負電荷的量子自旋缺陷的消相干時間。因此，要解決的問題變?yōu)槿绾卧黾訋ж撾姾傻牧孔幼孕毕莸臄?shù)量且同時不過度降低帶負電荷的量子自旋缺陷的消相干時間。作為替代，對于某些應用，可能希望具有相對較少的帶負電荷的量子自旋缺陷，但是其中每個帶負電荷的量子自旋缺陷具有非常高的消相干時間。這時的問題是如何形成帶負電荷的量子自旋缺陷且同時確保形成所述缺陷所需的電子施主不會過度降低消相干時間。
[0017]本發(fā)明的某些實施方案的目的是至少部分地解決上述問題中一個或多個。
[0018]發(fā)明概述
[0019]本發(fā)明人已經(jīng)認識到，電荷轉移發(fā)生的長度尺度與導致消相干的過程發(fā)生(例如，偶極自旋耦合)的長度尺度是不同的。因此，在原理上有可能使電子施主如下定位:充分接近用以發(fā)生電荷轉移的量子自旋缺陷以便形成帶負電荷的量子自旋缺陷；但是又足夠遠以便使應變和偶極耦合最小化，否則其將導致量子自旋缺陷的消相干時間減少或者量子自旋缺陷的光譜線寬度展寬。此外，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，在實際中可以通過如下方式實現(xiàn)這種設置:使電子施主缺陷位于材料的第一區(qū)域中，使量子自旋缺陷位于材料的第二區(qū)域中，所述第二區(qū)域與包含電子施主缺陷的材料第一區(qū)域間隔開，以及形成這些區(qū)域使得它們充分緊密地間隔以致于能夠發(fā)生從第一區(qū)域到第二區(qū)域的電荷轉移，從而能夠在第二區(qū)域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷，但是仍足夠遠離以致于電子電荷施主缺陷不會經(jīng)歷與量子自旋缺陷的顯著偶極耦合從而過度降低量子自旋缺陷的消相干時間和/或產(chǎn)生量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。
[0020]考慮到上述，本發(fā)明的第一方面提供了一種合成單晶金剛石材料，該合成單晶金剛石材料包含:
[0021]合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，其包含多個電子施主缺陷；
[0022]合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，其包含多個量子自旋缺陷；和
[0023]合成單晶金剛石材料的第三區(qū)域，其設置在所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間使得第一區(qū)域和第二區(qū)域被該第三區(qū)域間隔開，
[0024]其中，合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域和第三區(qū)域的電子施主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，并且
[0025]其中，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域間隔開的距離為IOnm至100 μ m，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域供給到合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域中形成帶正電荷的缺陷，同時該距離是足夠遠離的以便減少第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和/或產(chǎn)生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。
[0026]上述定義考慮到如下事實:不可能形成完美的單晶金剛石晶格結構。正因如此，在材料的每個區(qū)域中將不可避免地存在一些缺陷，其中一些可能形成量子自旋缺陷，并且其中一些可能形成電子施主缺陷。這里需要注意的重要一點是，制造每個不同區(qū)域的方法可被調節(jié)以有利于一物類型的缺陷優(yōu)于另一種的缺陷的形成，或者可被調節(jié)以便使一些缺陷類型最少化。因此，可以使用適合于增加電子施主缺陷數(shù)量的方法制造第一區(qū)域，以及使用適用于向區(qū)域中引入量子自旋缺陷的方法制造第二區(qū)域，同時確保向第二區(qū)域中引入相對較少數(shù)量的電子施主缺陷(當與材料的第一區(qū)域相比時)。此外，這些不同區(qū)域可在其間被制造以第三間隔區(qū)域，使得第一區(qū)域和第二區(qū)域以特定的距離分開以滿足上述所述的功能要求。
[0027]可以通過適于形成相對高純度的金剛石材料的方法制造設置在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的材料第三中間區(qū)域，該第三中間區(qū)域相對于第一區(qū)域而言具有較少的電子施主缺陷。該第三區(qū)域相對于第二區(qū)域而言還包含較少的量子自旋缺陷。第三中間區(qū)域可以與所述第一區(qū)域和第二區(qū)域形成明確的邊界界面。例如，在一種配置中，可以提供一種至少包含如下的層結構:電子施主層(第一區(qū)域)，量子自旋缺陷受主層(第二區(qū)域)，以及中間間隔層(第三區(qū)域)。然而，也可以考慮施主區(qū)域和受主區(qū)域并不需要是層，并且也不需要被中間層分隔。一種替代生的例子是例如使用注入方法形成施主區(qū)域和受主區(qū)域，所述施主區(qū)域和受主區(qū)域在橫向上而不是在垂直方向上分隔成層。另一種替代性的例子是，垂直堆疊的層結構，其包含電子施主層和量子自旋缺陷受主層，但沒有中間層。在這種配置中，施主層可以具有朝向受主層緩慢減少的電子施主濃度。因此，可以沒有獨立的且易于辨識的中間層，但是仍將存在可識別的中間區(qū)域，該中間區(qū)域具有相對低的電子施主濃度。實際上，電子施主層漸變從而具有不同的區(qū)域，包括具有相對高電子施主濃度的區(qū)域，以及與量子自旋缺陷區(qū)域相鄰的具有相對低電子施主濃度的區(qū)域。
[0028]又一種可能是，形成第三區(qū)域以具有與材料的第二區(qū)域相同或類似的組成，這些區(qū)域通過所使用的受控光學尋址來區(qū)分，而不是通過化學和/或晶體學組成來區(qū)分。例如，可以形成一種合成單晶金剛石材料，其具有第一電子施主層(第一區(qū)域)和第二量子自旋缺陷層(第二和第三區(qū)域)。在使用中，與第一層隔開IOnm至IOOym距離的第二量子自旋缺陷層的區(qū)域可以被光學尋址，該區(qū)域中的量子自旋缺陷與電子施主層足夠接近以便接收電子，同時又與電子施主 層足夠遠以便減少與電子施主層的其它耦合相互作用，否則這些相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和/或產(chǎn)生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。在這種配置中，通過與電子施主層相鄰的一部分第二層來形成介于電子施主層和光學尋址的量子自旋缺陷區(qū)域之間的中間區(qū)域。
[0029]另一種替代方案是形成包含量子自旋缺陷的單一層的合成單晶金剛石材料以及將電子施主注入到該層的橫向間隔區(qū)域中。這樣的層此時將含有電子施主區(qū)域和量子自旋缺陷區(qū)域，其方式類似于先前描述的兩層體系，量子自旋缺陷區(qū)域形成本發(fā)明的第二區(qū)域和第三區(qū)域。正如先前所描述的配置，可通過受控的光學尋址來區(qū)分第二區(qū)域和第三區(qū)域，使得與電子施主區(qū)域相隔開的量子自旋缺陷區(qū)域部分被光學尋址。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造如上所述的合成單晶金剛石材料的方法。優(yōu)選使用CVD技術形成所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，任選地包括注入技術以形成所述區(qū)域中的一個或多個。然而，根據(jù)一個可能的實施方案，可以由基底形成包含電子施主缺陷的第一區(qū)域，使得基底形成層狀結構的組成部分。在詳細說明中討論了合適的合成方法的實例。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于傳感、檢測或量子自旋裝置的合成金剛石的裝置部件，所述裝置部件由如上所述的合成單晶金剛石材料形成。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括如上所述裝置部件的裝置。該裝置可包括:光源，其用于光學泵浦單晶合成金剛石材料的第二區(qū)域中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或更多個。
[0033]附圖簡述
[0034]為了更好地理解本發(fā)明以及顯示如何實施本發(fā)明可使之生效，現(xiàn)在將參照附圖通過舉例的方式來描述本發(fā)明的實施方案，其中:
[0035]圖1a舉例說明了 NV_缺陷的原子結構；
[0036]圖1b舉例說明NV_缺陷的電子結構；
[0037]圖2a舉例說明從通過變化的微波頻率操縱的多個NV-缺陷得到的特征熒光光譜；
[0038]圖2b舉例說明金剛石晶體中的4個晶體學NV_軸線的取向；
[0039]圖3(a)至圖3(g)舉例說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的合成單晶金剛石材料；
[0040]圖4舉例說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造層狀合成單晶金剛石材料的方法；
[0041]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0042]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0043]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0044]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0045]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的自旋共振裝置的示意圖；
[0046]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于金剛石量子裝置中的微流體單元(cell)的示意圖，該微流體單元包含層狀的合成單晶金剛石材料；和
[0047]圖11示出了與微流體單元例如圖10中所示的微流體單元一起使用的自旋共振裝置的示意圖。
[0048]一些實施方案的詳細說明
[0049]圖3(a)至圖3(c)舉例說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的層狀合成單晶金剛石材料。
[0050]圖3(a)示出了一種包含三層結構的層狀合成單晶金剛石材料。這種層狀結構可完全形成在合成金剛石材料的單晶中，使得這些層共享一個共同的晶格。第一層2包含多個電子施主缺陷。第二層4包含多個量子自旋缺陷。第三層6被設置在第一層2和第二層4之間，使得第一層2和第二層4間隔開IOnm至100 μ m范圍內的距離。選擇該距離以允許將電子從第一層2供給到第二層4，從而在第二層4中形成帶負電荷的量子自旋缺陷。此外，選擇第一層2和第二層4之間的距離，以確保在第一層2中的電子施主缺陷和第二層4中的量子自旋缺陷之間的偶極耦合是低的。這確保第二層4中的量子自旋缺陷的消相干時間為高以及來自第二層4中的量子自旋缺陷的光譜線發(fā)射的應變展寬是低的。第二層4的電子施主缺陷濃度低于第一層2。這確保消相干降低以及因第二層4中的電子施主缺陷所致的量子自旋缺陷光譜線展寬是相對低的。此外，第三層6的電子施主缺陷濃度低于第一層2，并且其量子自旋缺陷的濃度低于第二層4。再一次，這確保了消相干降低以及因第三層6中的缺陷所致的第二層4中的量子自旋缺陷的光譜線展寬是相對低的
[0051]圖3(b)示出了圖3(a)中所說明的層狀結構的變型。該層結構包括如上所述的相同的三個層2、4、6。此外，該層狀結構含有包封該三層結構的底層8和頂層10。例如，該底層8和頂層10可包含具有與層6中提供的材料類似性質的高純度僉剛石材料。[0052]圖3(c)示出了圖3(a)中所說明的層狀結構的另一種變型。該層狀結構包含如關于圖3(b)層所述的層2，4，6，8，20。此外，提供摻硼的單晶金剛石材料12的另一層以形成半導電或完全金屬導電性的層。電荷能夠通過這個附加層并且可被用于電學控制層4中的量子自旋缺陷的狀態(tài)。作為替代，能夠利用不同的表面終端來提供量子自旋缺陷狀態(tài)的電學控制。因此，通過向材料施加能量(例如，通過電場)，能夠控制金剛石材料內的電子空間分布以便使電子從電子施主缺陷供給到量子自旋缺陷。
[0053]還可以設想其他變型。例如，可以在金剛石基底中提供電子施主缺陷，在該基底上生長的所述層狀結構使得基底形成所述最終層狀結構的組成部分。這些層中的一個或多個可被形成為具有降低水平的13C,以進一步提高消相干時間，因為13C是自旋活躍核心，其可能與量子自旋缺陷不利地耦合。其他缺陷的水平也可以保持為低。還可以提供附加的功能層，例如其它的量子自旋缺陷層或其它的導電層，以形成電子元部件。
[0054]圖3(d)示出了如圖3(a)中所說明的層狀結構的另一種變型。第一層2包含多個電子施注缺陷。第二層4包含多個量子自旋缺陷。電子施主層2具有朝向量子自旋缺陷層4緩慢減少的電子施主濃度，使得與量子自旋缺陷層4鄰近的電子施主層2的區(qū)域14具有相對低的電子施主濃度。因此，該結構在許多方面與圖3(a)中所示的結構類似，且圖3(d)中的區(qū)域14在功能上等同于圖3(a)中的層6。這里的區(qū)別是，中間區(qū)域14可能并不是圖3(a)中的獨立層。
[0055]圖3(e)示出了另一種變型，其中在單一層中形成一個或多個電子施主區(qū)域2、量子自旋缺陷區(qū)域4、和中間區(qū)域6。在這種配置中，電子施主區(qū)域2和量子自旋缺陷區(qū)域4在橫向上分離而不是垂直方向上分離成層?？梢酝ㄟ^使用注入方法形成不同區(qū)域。例如，可以將電子施主物類注入到區(qū)域2中，以及將量子自旋缺陷注入到區(qū)域4中。
[0056]圖3(f)示出了圖3(e)中所示配置的一種變型，其中單晶金剛石材料的層包含一個或多個電了施主區(qū)域2和一個或多個量子自旋缺陷區(qū)域4。不提供可化學辨識的中間區(qū)域。相反，在使用中，量子自旋缺陷區(qū)域的部分16被光學尋址，該量子自旋缺陷區(qū)域與電子施主區(qū)域隔開的距離在IOnm至100 μ m范圍內，在該區(qū)域中的量子自旋缺陷與電子施主區(qū)域充分接近以便接收電子，同時又與電子施主區(qū)域足夠遠以便減少與電子施注層的其他耦合相互作用，否則這些相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和/或產(chǎn)生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。在這種配置中，電子施主區(qū)域2和光學尋址量子自旋缺陷區(qū)域16之間的中間區(qū)域6通過受控光學尋址而被界定。可通過將電子施主物類注入包含量子自旋缺陷的層中來形成該結構化的層。
[0057]圖3(g)示出了圖3(f)中所示配置的另一種變型，其中所述單晶金剛石材料層包含一個或多個電子施主區(qū)域2和一個或多個量子自旋缺陷區(qū)域4。在這種配置中，電子施主區(qū)域中的電子施主濃度是可變的。特別地，在所示的配置中，電子施主區(qū)域中的電子施主濃度在與量子自旋缺陷區(qū)域鄰近的部分中減少，從而形成充當中間分隔區(qū)域的相對低電子施主區(qū)域18。
[0058]圖4示出了制造如圖3(a)中所示的層 狀合成單晶金剛石材料的方法。該方法以有待沉積所述層狀結構的基底20開始。在步驟A中，可通過在含氮的氣氛中生長CVD金剛石材料層來形成第一層22，使得供給電子的氮缺陷被引入到該層中。在步驟B中，隨后可通過如下方式在其上生長另外的層24(前面定義中的第三層):降低工藝氣體中的氮濃度使得形成高純度層。在步驟C中，可通過增加工藝氣體中的氮含量來生長含氮的單晶金剛石材料的頂層26。然后，在步驟D中，將該三層結構22、24、26從基底上移去。在步驟E中，可對頂層進行照射以便在該層內形成空位缺陷，并且進行退火以允許空位缺陷遷移到氮缺陷并與之成對從而形成含有氮-空位(NV)缺陷的層28。然后，可發(fā)生從底層中的氮缺陷向頂層28中NV缺陷的電子供給，這可被用于傳感、檢測和量子處理應用。由于底層22(其現(xiàn)在將是帶正電荷的，因為已經(jīng)向NV缺陷供給了電子)中的供給電子的氮物類與頂層28中的NV-缺陷相隔離，于是NV_缺陷和氮缺陷之間的偶極耦合的幅度因此可降低，因此，能夠增加NV—缺陷的消相干時間和/或能夠降低NV—缺陷光譜線寬度的應變展寬。
[0059]可以設想上述方法的替代方案。例如，不要求電子施主缺陷是氮缺陷，而可以是磷缺陷、硅缺陷或任何其它的供給電子的金剛石缺陷。
[0060]可以將缺陷注入到金剛石材料中從而形成這些層中的一個或多個，而不是在僉剛石合成期間成長到材料中。例如，用于將雜質原子如氮、磷和硅注入到金剛石材料中的技術是已知的。因此，在前述實例的替代方案中，可以在低氮工藝氣體中以類似于中間層24的方式生長頂層26，然后向頂層26中注入雜質原子如氮原子，以便在照射和/或退火步驟之后形成量子自旋缺陷。
[0061]通過照射和/或退火可以形成雜質-空位的量子自旋缺陷?？墒褂谜丈鋪硇纬煽瘴?，所述空位在加熱/退火時可以遷移穿過僉剛石材料，直到它們被雜質缺陷(如孤立的氮點缺陷)捕獲從而形成雜質-空位量子自旋缺陷?？梢栽谡丈淦陂g或之后進行退火。所述退火可以涉及加熱金剛石材料到等于或大于600°c、700°c、80(rc、90(rc、i00(rc、或1200°c的溫度。作為退火形成雜質-空位量子自旋缺陷的補充或者作為替代，退火也可以幫助去除晶體學缺陷，例如由注入雜質原子而形成的損傷。退火可以在一個或多個步驟中進行。例如，退火可以在不同溫度下逐步進行，例如在第一溫度下的第一退火和在第二溫度下的第二退火，所述第二溫度不同于所述第一溫度(較高或較低)。一種有利的退火是在足夠高的溫度下以修復晶 體學缺陷/損傷，但又足夠低使得雜質-空位缺陷不會被打被。例如，可在足以促進雜質-空位量子自旋缺陷形成的溫度下進行第一退火，然后可在較高溫度下進行第二退火，所述較高溫度修復晶體學缺陷/損傷且同時沒有高到打破所述雜質_空位缺陷。
[0062]如果在生長原態(tài)的材料中存在足夠的空位，則可以不需要照射步驟來形成空位。在這種情況下，生長原態(tài)的材料中存在的空位可被退火從而遷移穿過材料并被雜質缺陷捕獲，以便形成雜質-空位量子自旋缺陷。此外，也有可能在一定的生長條件下在生長期間將雜質-空位量子自旋缺陷作為單元直接納入到金剛石材料中。在這種情況下，既不需要照射也不需要退火。在這種替代方案中，在金剛石材料的生長期間形成雜質-空位量子自旋缺陷，而不必使用生長后處理例如照射和退火。
[0063]雖然上述實施方案描述了形成NV_缺陷作為量子自旋缺陷，然而也可以使用其他缺陷。已知金剛石材料中的各種點缺陷，包括:含硅缺陷、含鎳缺陷、含鉻缺陷、和含氮缺陷。雖然設想優(yōu)選實施方案將利用含氮的NV—缺陷(由于【背景技術】部分中所述的這種缺陷的有利性能)，也可以設想本發(fā)明的某些實施方案可以用于其他類型的帶負電荷的缺陷，這些缺陷適用于傳感、檢測以及量子處理應用。[0064]電子施主層的厚度可以等于或大于:10nm ； IOOnm ；5 μ m ；50 μ m ；100 μ m ;或500 μ m?？梢杂珊铣蒀VD (化學氣相沉積)或合成HPHT (高壓高溫)金剛石材料形成該電子施主層。電子施主缺陷可以在生長期間在材料中形成或者可通過生長后的注入形成。電子旋主層的厚度上限對于本發(fā)明的功能并不關鍵。如果電子施主層還充當層狀結構的支撐基底，那么它可以相對較厚。然而，由于形成單晶金剛石材料的厚層是較為困難且昂貴的，因此所述電子施主層通常小于2_厚，且更通常小于Imm厚。
[0065]電子施主層應該有相對高濃度的電子施主缺陷，如氮、磷和/或硅。例如，電子施主缺陷的濃度可以等于或大于:1 X IO16缺陷/ cm3 ;5X1016缺陷/ cm3 ; I X IO17缺陷/ cm3;5X1017 缺陷 / cm3 ;1X1018 缺陷 / cm3 ;5 X IO18 缺陷 / cm3 ; I X IO19 缺陷 / cm3;或 2X IO19缺陷/ cm3。在實際中，難以納入顯著更高的濃度并且該層通常具有等于或小于IO22缺陷/Cm3UO21缺陷/ cm3、或者102°缺陷/ cm3的電子施主缺陷濃度。[0066]為了確保存在足夠的從電子施主層到量子自旋缺陷層的電子供給，在某些應用中，確保電子施主層中的電子施主濃度大于量子自旋缺陷層中的量子自旋缺陷濃度是有用的。這是因為電子施主和量子自旋缺陷之間的電子供給的效率一般不會是100%。因此，提供過量的電子施主，確保大部分量子自旋缺陷將接受電子。根據(jù)某些配置，電子施主層/區(qū)域中的電子施主濃度是量子自旋缺陷層/區(qū)域中的量子自旋缺陷濃度的至少2、4、8、10、100、或1000倍。此外，根據(jù)某些配置，電子施主層/區(qū)域中的電子施主缺陷濃度是量子自旋缺陷層/區(qū)域中的電子施主缺陷濃度的至少2、4、8、10、100、或1000倍。有利的是，至少30%、40%、50%、60%、70%、80%、或90%的量子自旋缺陷將接受電子從而形成帶負電荷的量子自旋缺陷。
[0067]量子自旋缺陷層的厚度可以等于或大于:lnm ；5nm ；10nm ；50nm ；IOOnm ；500nm ;或I μ m。此外,量子自旋缺陷層的厚度可以等于或小于:100 μ m ；80 μ m ；60 μ m ；40 μ m ；20 μ m或ΙΟμπι?？梢韵氲桨孔幼孕毕輰拥倪@些厚度上限和下限的組合的范圍。具體的層厚度在一定程度上將取決于裝置應用和該層內的量子自旋缺陷的濃度。例如，如果在該量子自旋層中存在合理高濃度的量子自旋缺陷，那么使該層非常薄，這能夠使各個量子自旋缺陷光學隔離。當然，如果該層過厚，那么該層的最遠離電子施主層的部分將過于遠離電子施主層以致不能由其接受電子而形成帶負電荷的量子自旋缺陷。因此，可以控制層厚度和量子自旋缺陷的濃度，使得對于特定的應用存在足夠數(shù)量的量子自旋缺陷并且量子自旋缺陷足夠接近電子施主層使得能夠發(fā)生電子供給以便形成帶負電荷的量子自旋缺陷。通常，這將使得量子自旋缺陷層必須非常薄并且相對接近電子施主層，但不至于接近到使電子施主層和量子自旋缺陷層之間發(fā)生廣泛的偶極耦合。
[0068]優(yōu)選由合成單晶CVD金剛石材料形成量子自旋缺陷層?？梢栽谏L期間或者通過生長后注入在材料中形成量子自旋缺陷。量子自旋缺陷可以包括以下的一種或多種:帶負電荷的含硅缺陷；帶負電荷的含鎳缺陷；帶負電荷的含鉻缺陷；和帶負電荷的含氮缺陷。由于帶負電荷的氮-空位缺陷(NV_)的有用特性(如【背景技術】部分中所討論)，該缺陷對于很多應用是有利的。
[0069]量子自旋缺陷的濃度在一定程度上將取決于期望的應用。在要求各個量子自旋缺陷被光學隔離并可尋址的應用中，這時量子自旋缺陷的濃度有利地足夠低使得各個量子自旋缺陷能夠被容易地各個尋址?；蛘?，在使用多個量子自旋缺陷作為集合來感測環(huán)境中的變化而不要求各個量子自旋缺陷被分離并可單獨尋址的應用中，這時可提供較高濃度的量子自旋缺陷。例如，量子自旋缺陷的濃度可以等于或大于:1X IO11缺陷/ cm3 ;1 X IO12缺陷 / cm3 ; I X IO13 缺陷 / cm3 ;1 X IO14 缺陷 / cm3 ;1 X IO15 缺陷 / cm3 ;1 X IO16 缺陷 / cm3;I X IO17缺陷/ cm3 ;1 X IO18缺陷/ cm3。此外，量子自旋缺陷的濃度可以等于或小于:4X1018缺陷 / cm3 ;2X1018 缺陷 / cm3 ;1X1018 缺陷 / cm3 ; I X IO17 缺陷 / cm3 ;或者 I X IO16 缺陷 /cm3?？梢韵氲桨孔幼孕毕輰雍穸鹊倪@些下限和上限的組合的范圍。例如，量子自旋缺陷的濃度可以在如下范圍內=IXlO1Ij^/ cm3至4X1018缺陷/ cm3 ;1 X IO12缺陷/ cm3至IX IO17缺陷/ cm3，或者I X IO13缺陷/ cm3至I X IO16缺陷/ cm3。對于較高濃度的應用，量子自旋缺陷的濃度可以在如下范圍內:1X1015缺陷/ cm3至4X1018缺陷/ cm3 ；1X1016缺陷/ cm3至2X1018缺陷/ cm3;或者I X IO17缺陷/ cm3至I X IO18缺陷/ cm3。根據(jù)一種配置，電子施主層中形成的電子施予缺陷的數(shù)量大于量子自旋缺陷層中形成的量子自旋缺陷的數(shù)量。量子自旋缺陷的低濃度有助于確保量子自旋缺陷具有高的消相干時間、窄的光譜線寬度，并且量子自旋缺陷可以被光學隔離。電子方施主層中的較高數(shù)目的電子施予缺陷將會確保存在電荷轉移從而形成帶負電荷的量子自旋缺陷的高可能性。
[0070]量子自旋缺陷層內的其它缺陷的濃度應當?shù)?，以避免導致消相干時間降低或增加吸光度的相互作用。例如，電子施主缺陷(如氮、磷、硅中的一種或多種，要么單獨要么組合)的濃度可以等于或小于:1 X IO17缺陷/ cm3 ;1X1016缺陷/ cm3 ;5X1015缺陷/ cm3;I X IO15 缺陷 / cm3 ;5X1014 缺陷 / cm3 ; I X IO14 缺陷 / cm3 或者 5 X IO13 缺陷 / cm3。在許多應用中，期望使量子自旋缺陷層中的其它缺陷的濃度盡可能低。然而，在實際中其他缺陷通常以至少I X 101°缺陷/ cm3的濃度存在。
[0071]對于某些應用，量子自旋缺陷層可具有下列中的一種或多種:等于或小于20ppb，IOppb, 5ppb, Ippb或0.5ppb的中性單取代氮濃度;等于或小于0.15ppb, 0.1ppb, 0.05ppb,0.0Olppb, 0.0OOlppb 或 0.00005ppb 的 N[濃度，或者等于或大于 0.1ppm, 0.5ppm, 1.0ppm, 2.0ppm, 3ppm, 4ppm 或 5ppm 的 NV_ 濃度；以及等于或小于 0.9 %, 0.7 %, 0.4 %, 0.1 %,0.01%，或0.001%的13C的總濃度。高純度的量子級單晶CVD合成金剛石材料的使用，改善了金剛石材料內的一種或多種量子自旋缺陷的消相干時間，并且使得能夠利用本領域技術人員已知的光學技術來分離單個缺陷中心。根據(jù)所需的最終用途，材料可能落入兩種類別之一:低NV—濃度材料或高NV—濃度材料。
[0072]除了控制量子自旋缺陷層內的點缺陷濃度，還有利的是確保延伸晶體缺陷如位錯缺陷的濃度為低，以便改善該層的光學性技(例如，降低雙折射)和降低該層中的應變，該應變會降低量子自旋缺陷的消相干時間。因此，在垂直于量子自旋缺陷層的方向上的雙折射可以等于或小于 5X 10_5、1X 10_5、5X 10_6、或 IX ΙΟ—6。
[0073]介于電子施予層和量子自旋缺陷層之間的中間層的厚度可以等于或大于:10nm;50nm ； IOOnm ；500nm ; I μ m ; 10 μ m或20 μ m。此外，該中間層的厚度可以等于或小于:100μL? ;80μπ? ;60μπ? ;40μπ?或30μπ?。可以想到包含中間層的厚度的這些下限和上限的組合的范圍?？梢詢?yōu)化層厚度以確保電子施予層和量子自旋缺陷層之間能夠發(fā)生足夠的電子供給，從而形成帶負電荷的量子自旋缺陷同時確保電子施予缺陷和量子自旋缺陷之間的偶極耦合為低。在理想情形中，中間層將是沒有任何種類缺陷的極高純度的材料。在這樣的理想配置中，電子施主層將只包含電子施主缺陷，以及量子自旋缺陷層將僅包含量子自旋缺陷，而且中間層將不合任何電子施主或量子自旋缺陷。在實際中這是不可能的。然而，中間層中的雜質缺陷應當是低濃度的。如果中間層中含有太多的缺陷，那么它們可能充分接近量子自旋缺陷從而與量子自旋缺陷發(fā)生耦合，導致消相干時間的降低。此外，如果中間層含有太多的可接受來自電子施主層的電子的缺陷，那么這些缺陷將抑制電子從電子施主層傳輸?shù)搅孔幼孕毕輰?。因此，在某些應用中，電子施主缺?如氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨要么組合)的濃度可以等于或小于:1 X IO17缺陷/ cm3 ;1X1016缺陷/ Cm3;5X IO15 缺陷 / cm3 ;1X1015 缺陷 / cm3 ;5X IO14 缺陷 / cm3 ;1 X IO14 缺陷 / cm3 或 5X IO13 缺陷/ cm3。在許多應用中期望這些缺陷在中間層中的濃度盡可能低。然而，在實際中這些缺陷通常以至少I X IO11缺陷/ cm3的濃度存在。此外，量子自旋缺陷如NV缺陷的濃度可等于或小于:1 X IO14 缺陷 / cm3 ;1X1013 缺陷 / cm3 ;1 X IO12 缺陷 / cm3 ; I X IO11 缺陷 / cm3 ;或IXlOici缺陷/ cm3。再一次，在許多應用中期望這些缺陷在中間層中的濃度盡可能低。然而，在實際中這些缺陷通常以至少IX IO9缺陷/ cm3的濃度存在。
[0074]單晶合成僉剛石材料可具有至少一個等于或大于0.lm、0.5mm、1mm、2m或3mm的尺度。此外，單晶合成金剛石材料可形成層狀結構，其厚度等于或大于0.1 μ m、l μ m、10 μ m、100 μ m、200 μ m或500 μ m。在一定程度上，單晶合成金剛石材料的具體尺寸和尺度將依賴于裝置構造和其預期的用途。然而，對于許多應用，單晶合成CVD金剛石材料可能需要足夠大以包含足夠的量子自旋缺陷從而改善靈敏度，同時量子自旋缺陷的分布足夠分散以改善點缺陷的消相干時間和/或使得能夠利用光學技術來分離單一缺陷中心。 [0075]量子自旋缺陷的消相干時間T2 (通過Hahn回波衰減測量)可等于或大于0.05ms、0.1ms, 0.3ms、0.6ms、1ms、5ms 或 15ms,相應的 T2* 值等于或小于 1ms、800 μ S、600 μ S、500 μ S、400 μ S、200 μ S、150 μ S、100 μ s>75 μ S、50 μ S、20 μ S、或 1μ S。
[0076]量子自旋缺陷可以被定位在離單晶合成金剛石材料表面的一定距離處，該距離等于或小于:IOOnm ；80nm ；50nm ；20nm ;或IOnm0有利的是，該點缺陷被定位于靠近表面，以便增加對表面附近的磁場或電場變化的敏感度。
[0077]可以在單晶合成金剛石材料的表面形成輸出I禹合(out-coupling)結構，用以增加光的輸出耦合以及增加從合成金剛石材料中的量子自旋缺陷的光收集。在一種配置中，在單晶合成金剛石材料的表面形成輸出耦合結構，由此通過單晶合成僉剛石材料的表面整體地(integrally)形成所述輸出耦合結構。為了形成這種整體的輸出耦合結構，可能會需要更多的金剛石材料，并且這種附加材料的至少一部分可任選地由相對于包含量子應用中使用的量子自旋缺陷的層狀結構而言較低等級材料制成。合適的輸出耦合結構包括下列中一種或多種:凸面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹陷或納米結構；衍射光柵；菲涅耳透鏡；以及涂層，如抗反射涂層。
[0078]能夠使用CVD方法制造上文所述的合成僉剛石裝置部件，該方法使用具有生長表面的單晶合成金剛石基底，該表面具有等于或小于5X103缺陷/ mm2或5X103缺陷/ mm2的缺陷密度，如通過揭示等離子體刻蝕所揭示的。這可以由天然、HPHT或CVD合成僉剛石材料形成。盡管這些不同類型的金剛石材料各自具有其自身獨特的特點并且可清楚識別，然而該基底的關鍵特征是生長表面被仔細處理以具有良好的表面光潔度(finish)。該生長表面優(yōu)選取向在{100}、{110}、{111}或{113}晶面的幾度內。生長表面上的缺陷密度最容易通過如下方式來表征:在使用為揭示缺陷而優(yōu)化的等離子體或化學刻蝕(稱為揭示等離子體刻蝕)之后進行光學評價，例如使用下文所述類型的短暫等離子體刻蝕。
[0079]能夠揭示兩類缺陷:
[0080]I)基底材料品質所固有的那些缺陷。在所選的天然僉剛石中，這些缺陷的密度可低達50 / mm2，更典型的值是IO2 / mm2，而在其他中該值可以是IO6 / mm2以上。
[0081]2)由拋光所產(chǎn)生的那些缺陷，包括位錯結構和形成沿拋光線的擦痕的微裂紋。這些缺陷的密度可在樣品上顯著變化，典型值的范圍是從約IO2 / mm2，直至不良拋光的區(qū)域或樣品中的超過IO4 / mm2。
[0082]優(yōu)選的低缺陷密度是這樣的，與缺陷有關的表面刻蝕特征的密度低于5X103 /mm2，更優(yōu)選低于102/mm2。應當注意的是，僅僅拋光表面以具有低的表面粗糙度并不一定滿足這些標準，因為揭示等離子體刻蝕暴露出該表面處以及恰好其下方的缺陷。此外，除可以通過簡單拋光除去的表面缺陷如微裂紋和表面特征之外，揭示等離子體刻蝕可以揭示內在的缺陷如位錯。
[0083]因此，在發(fā)生CVD生長的基底表面處或其下方的缺陷可以通過仔細選擇和制備基底而被最少化。這里所包括的“制備”是向來自礦物開采(在天然僉剛石的情況下)或者合成(在合成材料的情況下)的材料所施加的任何工藝，因為每個階段都能時材料內在基底制備完成時將最終形成基底表面的平面處的缺陷密度造成影響。特別的處理步驟可以包括傳統(tǒng)的金剛石工藝如機械鋸切、磨光和拋光(在本申請中特別優(yōu)化以實現(xiàn)低缺陷水平)，和較不常規(guī)的技術如激光加工、反應性離子刻蝕、離子束銑削或離子注入以及剝離技術、化學/機械拋光，以及同時液體化學處理和等離子體處理技術。此外，通過觸針表面輪廓儀測得的表面&值(優(yōu)選在0.08mm長度上測量)應最小化，在任何等離子體刻蝕之前的典型值不大于幾納米，即小于10nm。Rq是表面輪廓距離平面的均方根偏差(用于表面高度的高斯分布，Rq= 1.25Ra。關于定義，例如參見“Tribology:Friction and Wear of EngineeringMaterials”，IM Hutching s, (1992), Publ.Edward Arnold,ISBN0-340-56184)。
[0084]使基底表面的損傷最小化的一種特定方法是，在要發(fā)生同質外延僉剛石生長的表面上包括原位等離子體刻蝕。原則上，這種刻蝕不必是原位的，也不必在生長過程之前即刻進行，但是如果其是原位的則會是實現(xiàn)最大的好處，因為它避免了進一步的物理損傷或化學污染的任伺風險。當生長過程也是基于等離子體的時候，原位刻蝕通常也是最方便的。等離子體刻蝕可以使用與沉積或金剛石生長過程相似的條件，但是不存在任何含碳的源氣體以及通常在稍微較低的溫度下進行以便更好地控制刻蝕速率。例如，它可以包括下列中的一個或多個:
[0085](i)氧刻蝕主要使用氫和任選的少量Ar，以及所需的少量02。典型的氧刻蝕條件是:50-450X IO2Pa的壓力，氧含量為1_4%的刻蝕氣體、0-30%的氬含量、以及余量的氫，所有百分數(shù)均是按體積計，基底溫度為600-1100°C (更典型為800°C )以及3_60分鐘的典型持續(xù)時間。
[0086](ii)與(i)類似但是其中不存在氧的氫刻蝕。
[0087](iii)可以使用并不僅僅基于氬氣、氫氣和氧氣的替代性刻蝕方法，例如利用鹵素、其他惰性氣體或氮氣的那些方法。
[0088]典型地，刻蝕包括氧 刻蝕隨后是氫刻蝕，然后通過引入碳源氣體直接移入合成。選擇刻蝕時間/溫度以便能夠保留表面損傷以免處理從而去除，以及用于有待除去的任伺表面污染物，但不形成高度粗糙的表面并且不會沿著與表面相交的延伸缺陷(如位錯)嚴重刻蝕從而造成深坑。由于刻蝕是侵蝕性的，對于該階段特別重要的是:腔室設計及其部件的材料選擇使得不會有材料被等離子體從腔室轉移到氣相中或者轉移到基底表面。氧刻蝕之后的氫刻蝕對于晶體缺陷特異性較小，其磨掉由侵蝕性刻蝕這些缺陷的氧刻蝕所導致的棱角并且為后續(xù)生長提拱更平滑、更好的表面。
[0089]該量子金剛石部件的至少一部分可使用氣相生長，該氣相的氮濃度小于或等于:十億分之250份，十億分之200份，十億分之150份，或十億分之120份，以氮氣分子計算。CVD反應器內的氣體中的氮含量降低導致CVD金剛石材料內的氮含量降低，并因此導致較低的吸收系數(shù)和較長的消相干時間。CVD反應器氣體中的氮含量可以大于十億分之0.001份，大于十億分之0.01份，大于十億分之0.1份，大于十億分之1份，或大于十億分之10份。
[0090]除了高化學純度以外，CVD生長過程可以使用高同位素純度的源氣體。例如，碳源氣體可以具有增加的12C分數(shù)以致等于或大于99%、99.3%,99.6%,99.9%,99.99%、或99.999%。這能夠進一步增加單一光予發(fā)射體的消相干時間，然而也可以設想使用12C的天然豐度。
[0091]鑒于上述情況，可以由具有至少一個高純度部分的金剛石材料形成所述量子金剛石部件，該高純度部分包括下列中的一種或多種:等于或小于20ppb、IOppb、5ppb、Ippb或0.5ppb的中性單取代氮濃度；等于或小于0.15ppb、0.1ppb、0.05ppb、0.00Ippb、0.0OOlppb、或0.00005ppb 的NV_濃度;以及等于或小于0.9%,0.7%,0.4%,0.1%,0.01%或0.001%的13C總濃度。
[0092]在CVD生長過程中所用的氣體組合物還可能所括與色心形成或者它們的電荷穩(wěn)定作用相關的其它雜質，例如硅或磷。然而，根據(jù)某些實施方案，除了低的氮濃度，CVD生長過程優(yōu)選還使用具有極低濃度其他雜質的氣體組合物，這些雜質可在CVD生長期間納入金剛石材料中。因此，該僉剛石材料的至少一部分優(yōu)選具有下列中的一種或多種=IOOppb或更低的硼濃度；100ppb或更低的硅濃度；Ippm或更低的順磁性缺陷濃度；5ppm或更低的任何單一非氫雜質濃度；10ppm或更低的不包括氫及其同位素的總雜質含量；1018cnT3或更低的單晶金剛石基質材料中的氫!雜質濃度。聞純度材料優(yōu)選還具有低的位錯濃度。例如，聞純度單晶金剛石材料的位錯束的密度等于或小于:106位錯cm_2 ；104位錯cm_2 ;3X IO3位錯cm-2 ；103位錯cm_2 ；102位錯cm_2 ;或10位錯cm_2。這可以通過仔細的基底制備和使用氮氣來實現(xiàn)，使用氮氣以抑制位錯形成，否則位錯會擴展穿過所述高純度僉剛石材料。
[0093]還希望處理金剛石材料的表面以實現(xiàn)低的表面粗糙度Rq。如W02010010344和W02010010352中所述，使用本發(fā)明的合成僉剛石材料作為基質材料能夠獲得高T2值和高光譜穩(wěn)定性，其中量子自旋缺陷定位在距這樣的處理表面等于或小于100μπι的距離處。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，量子自旋缺陷可任選地定位在距這樣的處理表面等于或小于100 μ m、優(yōu)選50 μ m、優(yōu)選20 μ m、優(yōu)選10 μ m、優(yōu)選I μ m、優(yōu)選500nm、優(yōu)選200nm、優(yōu)選50nm、優(yōu)選20nm或優(yōu)選IOnm的距離處。量子自旋缺陷的這種定位意味著對于最終應用它是易于訪問的，使得其能夠被表征并“讀出”，例如，通過光學耦合到波導。因此，有利的是，在量子級單晶金剛石中形成量子自旋缺陷，其中處理僉剛石材料的表面使得由如下圓所限定的區(qū)域內的單晶金剛石的表面粗糙度Rq等于或小于約10nm、5nm、lnm、或0.5nm,所述圓的半徑為約5 μ m且中心在表面上的與形成所述量子自旋缺陷之處最接近的點上。[0094]除了鄰近量子自旋缺陷的表面上的低表面粗糙度之外，還有用的是確保量子自旋缺陷附近的亞表面損傷為低?？梢酝ㄟ^刻蝕(如用等離子體刻蝕)以及拋光來減少亞表面損傷。還有用的是控制在鄰近量子自旋缺陷的金剛石表面上表面封端的類型，以確保金剛石不會以將與量子自旋缺陷有害相互作用的物類封端。例如，可以有用的是確保量子自旋缺陷附近的金剛石表面以零自旋物類例如氧封端，而不是具有非零自旋的物類(如氫)或者可導致一些表面電荷再分配過程的其它物類(例如已知對于氫所發(fā)生的)。
[0095]可以使用前述的合成金剛石裝置部件來形成僉剛石量子裝置。圖5中舉例說明了該裝置的實例。量子裝置50包含僉剛石量子部件52，該部件是由前述的層狀單晶合成僉剛石材料52形成。該量子裝置還包含光源56，用來光學泵浦所述層52中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個。
[0096]如圖1(a)所示，將光源56調整到適合的頻率以使NV_缺陷激發(fā)到發(fā)生電子躍遷。該缺陷的電子結構允許該缺陷被光學泵浦到電子基態(tài)，從而允許即使在非低溫下也能將這樣的缺陷置于特定的電子自旋狀態(tài)。對于需要小型化的某些應用，這可使得不必要求昂貴且笨重的低溫冷卻設備。進一步的躍遷和隨后的衰變以及熒光發(fā)射將會導致光子的發(fā)射，所述光子均具有相同的自旋狀態(tài)。因此，這個裝置構造可以充當具有相同自旋狀態(tài)的光子的源，其對于基于光子學的其它量子處理應用是有用的。
[0097]圖6示出了類似的金剛石量子裝置60。該裝置60也包含金剛石量子部件62，該部件包括前述的層狀單晶合成金剛石材料64。該量子裝置還包含光源66，用來光學泵浦所述層64中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個。
[0098]圖6中所示的金剛石量子裝置60不同于圖5中所示裝置之處在于，形成單晶合成僉剛石部件62使其具有輸出I禹合結構68,以增加來自發(fā)光N'T缺陷的光輸出。在該舉例說明的配置中，單晶CVD合成金 剛石部件60被形成為固體浸沒透鏡。這個透鏡可以完全由前述的層狀量子級材料形成，或者可以是其中設置所述層狀量子級材料的復合結構。例如，單晶合成金剛石部件62可以由合成CVD金剛石材料的單晶構成，其包含層狀量子級材料以及較低等級材料的一個或多個另外層。
[0099]圖7顯示了金剛石量子裝置70的另一個例子。如上所述，該裝置包括單晶合成僉剛石部件72和光源76。裝置70不同于圖5和圖6所示裝置之處在于，其進一步包含檢測器78，用來檢測來自單晶合成金剛石部件72中的一個或多個衰變的量子自旋缺陷74的發(fā)射。
[0100]在這種裝置構造中，導致電子躍遷到His= 土 I狀態(tài)的mr缺陷的任何擾動，將會導致熒光發(fā)射的降低，這時該降低可被檢測器78檢測到。
[0101]圖8示出了金剛石量子裝置80的另一個例子。如前所述，該裝置包括單晶合成僉剛石部件82和光源86。裝置80還包含檢測器88，用以檢測來自單晶合成金剛石部件82中的一個或多個衰變的量子自旋缺陷84的發(fā)射。裝置80不同于圖7中所示裝置之處在于，其進一步包含微波發(fā)生器89，用來操縱單晶合成金剛石層中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個。
[0102]在這種裝置構造中，該僉剛石自旋裝置可以充當磁力計，所述微波發(fā)生器89被配置為掃描用來操縱單晶合成金剛石部件82中的所述量子自旋缺陷中的一個或多個的微波頻率范圍。在特定頻率，NV_缺陷將經(jīng)歷從ms=0狀態(tài)到ms=± I狀態(tài)的電子躍遷，這導致來自NV_缺陷的熒光發(fā)射的降低。發(fā)生這種躍遷的頻率將取決于ms=± I狀態(tài)的能級，該能級會被外部的磁場或電場所擾動。因此，熒光發(fā)射降低發(fā)生的頻率可以被用來測量外部的磁場或電場。
[0103]在圖8所示裝置的變化形式中，該裝置也可包含靜態(tài)場發(fā)生器以分裂HIs= 土 I狀態(tài)的簡并性，這種分裂的幅度這時被任何外加磁場或電場擾動，導致發(fā)生熒光發(fā)射降低的頻率的變化，該變化對應于外部磁場或電場的幅度和/或方向的變化。
[0104]作為替代，圖8所示的金剛石量子裝置可以配置為充當量子信息處理裝置。在這樣的設置中，可配置所述微波發(fā)生器89以選擇性地操縱所述單晶合成僉剛石部件中的所述多個量子自旋缺陷，以便寫入信息到所述多個量子自旋缺陷，并且可配置檢測器88以便選擇性地尋址所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個，以便從所述多個量子自旋缺陷讀取信息
[0105]該裝置可以是自旋共振裝置，所述微波發(fā)生器被配置為掃描用來操縱合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷中的一個或多個的微波頻率范圍，該自旋共振裝置還包含射頻或微波頻率發(fā)生器，其被配置為掃描用來操縱設置在合成單晶金剛石材料鄰近的樣品內的量子自旋的頻率范圍。圖9示出了這樣的金剛石量子裝置90的例子。該裝置包括單晶合成僉剛石部件92。裝置90還包含檢測器95，用以檢測來自單晶CVD合成僉剛石部件92中的一個或多個衰變的量子自旋缺陷的發(fā)射，以及用以操縱單晶合成僉剛石部件中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個的微波發(fā)生器96。配置微波發(fā)生器96以掃描用來操縱單晶合成金剛石層中的所述多個量子自旋缺陷中的一個或多個的微波頻率范圍。裝置90還包含射頻或微波頻率發(fā)生器98，其被配置為掃描用以操縱設置在單晶合成僉剛石部件92鄰近的樣品99內的量子自旋的頻率范圍。
[0106]該裝置構造可充當自旋共振裝置。這樣的裝置還可包含靜態(tài)場發(fā)生器。在這樣的配置中，樣品99經(jīng)受靜態(tài)場，例如靜態(tài)磁場。通過對樣品99施加靜態(tài)磁場，樣品內的核(nuclei)的自旋擇優(yōu)與所施加 的磁場排列。然后對樣品施加振蕩場并且改變頻率。當振蕩場與核自旋發(fā)生共振時，它使核的自旋翻轉從而與靜態(tài)場的方向相反取向。這種轉變導致局部磁場的變化，該變化可被感測和檢測。由于周圍電子的局部屏蔽作用以及緊密間隔的核自旋之間的自旋-自旋相互作用，不同的核將在所施加的振蕩場的不同頻率下發(fā)生自旋翻轉。
[0107]到目前為止，所述裝置的功能類似于標準的NMR裝置，但是具有小得多的樣品體積和低得多的靜態(tài)場，從而允許使用例如小磁體(或者實際上不用磁體，如果使用地球磁場的話)，并且因此允許所述裝置作為整體的小型化。與標準NMR裝置不同，使用設置在樣品99鄰近的單晶CVD合成僉剛石部件92中的一個或多個量子自旋缺陷來檢測由核自旋翻轉所導致的局部磁場變化。
[οιos] mr缺陷被設置在前述的靜態(tài)磁場中。因此，mr缺陷內的電子自旋狀態(tài)ms= 土 I的簡并性分裂，如圖1b所示。使用532nm的激光器光源激發(fā)NV—缺陷，導致電子從3A基態(tài)激發(fā)到3E激發(fā)態(tài)。激發(fā)的ms=0電于在躍遷回到基態(tài)時發(fā)出熒光，并且檢測該熒光。向NV_缺陷施加振蕩的微波場并且改變頻率。當振蕩的微波場與NV中心電子的自旋發(fā)生共振時，其引起電子發(fā)生躍遷到ms=± I狀 態(tài)。參照附圖2a，如前面Steinert等人所述，可以通過掃描導致光學檢測磁場共振(ODMR)光譜中的特征下降的微波(MW)頻率來檢測該共振自旋躍遷。
[0109]現(xiàn)在，ms=±l狀態(tài)的能量將依賴于靜態(tài)場，但是會被由樣品中的振蕩場引起的核自旋翻轉所致的磁場中的局部變化所擾動。因此，當樣品中的核自旋與振蕩場發(fā)生共振時，NV—缺陷中將發(fā)生電子自旋共振的微波頻率將被偏移。通過發(fā)生熒光處的下降的偏移來檢測這些變化。因此，可以通過NV-缺陷中的電子自旋共振的變化來光學檢測樣品中的核自旋共振。因此可處理光學信號從而產(chǎn)生NMR數(shù)據(jù)。這可以是指示化學偏移數(shù)據(jù)的NMR光譜的形式。作為替代或作為補充，所述自旋共振裝置可以是自旋共振成像裝置，配置檢測器以便在空間上解析來自所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷的發(fā)射，從而形成自旋共振圖像。例如，如果在樣品不同位置處獲得多個光學讀數(shù)，則可以為樣品產(chǎn)生磁共振圖像(MRI)。在這樣的自旋共振成像裝置中，配置檢測器以便在空間上解析來自單晶CVD合成金剛石部件中的所述多個量子自旋缺陷的發(fā)射，從而形成自旋共振圖像。作為替代或作為補充，可以利用該技術來測量電場的變化。
[0110]使用上述處理生成的數(shù)據(jù)可以被顯示在裝置的顯示屏上。作為替代，數(shù)據(jù)可以被(有線地或無線地)傳輸?shù)酵獠吭O備(如筆記本計算機或臺式計算機)以便處理和顯示。在該情形中，量子裝置內的處理和顯示可以被簡化并且尺寸和成本降低。可以提供合適的計算機程序以便在標準的計算機上運行，從而接收、處理和顯示由便攜量子裝置所收集的數(shù)據(jù)。
[0111]前述量子裝置可被配置為微流體裝置，其包含用于接受流體樣品的微流體通道，單晶合成金剛石部件位于該微流體通道附近。在這種配置中，可將微流體通道以及充當量子傳感器的單晶合成僉剛石部件集成到微流本單元中，例如圖10所示的微流本單元。
[0112]圖10顯示了金剛石基微流體單元100的例子。微流體單元100包含至少一個金剛石傳感器102，其定位在通道104的鄰近，流體樣品可被設置在所述溝道104中。該至少一個僉剛石傳感器102包含一個或多個量子自旋缺陷106，其可以通過使用前述的層狀結構形成。金剛石傳感器102被定位在通道104的鄰近，用來感知位于溝道104中的樣品內的磁場和/或電場的變化。所示配置包含兩個金剛石傳感元件102，它們被放置在通道104的相反側。然而，可以想到微流體單元可以包含僅一個或者作為替代包含多個僉剛石傳感元件。
[0113]微流體通道優(yōu)選具有等于或小于Imm的至少一個尺度,更優(yōu)選在IOOnm到Imm的范圍內，任選地在500nm到500 μ m的范圍內?？梢赃x擇微流體通道的尺寸以便選擇某些物類?？梢蕴峁┒嘤谝粋€通道。不同的通道可具有不同的尺寸以便基于物類尺寸的差別選擇不同的物類。
[0114] 圖11示出了用于微流體單元例如圖10中所示微流體單元的自旋共振裝置110。該裝置Iio包括靜態(tài)磁場發(fā)生器(Btl)、第一可變振蕩磁場發(fā)生器(B1)和第二可變振蕩磁場發(fā)生器(B2)。第一可變振蕩磁場發(fā)生器(B1)優(yōu)選是射頻發(fā)生器，并且第二可變振蕩磁場發(fā)生器(B2)優(yōu)選是微波發(fā)生器。該裝置可以進一步包括設置在單元接受區(qū)114的周圍的磁屏蔽112。在一種配置中，地球磁場被用作靜態(tài)磁場，因此不需要額外的靜態(tài)磁場發(fā)生器。在這樣的配置中，所述屏蔽可適用將傳感器與任何外部振蕩場屏蔽，而不是對抗靜態(tài)磁場。這樣的屏蔽是本領域的技術人員所知曉的。自旋共振裝置還包含:光源116，該光源被配置用來激發(fā)安置在單元接受區(qū)114中的金剛石基微流體單元中的量子自旋缺陷，以及光檢測器118，其用于檢測來自金剛石基微流體單元的量子自旋缺陷的光學輸出信號。該光源可以是激光光源?？膳渲迷摴庠匆员氵x擇性地激發(fā)沿著微流體通道的不同位置處的量子自旋缺陷，從而允許對沿著通道的不同位置處的流體進行分析。作為替代或作為補充，可以配置檢測器以便選擇性地檢測沿著微流體通道的不同位置處的量子自旋缺陷的發(fā)射，從而允許對沿著通道的不同位置處的流體進行分析。
[0115]作為上述的替代，該裝置可以是量子信息處理裝置。在此類裝置中，可以配置微波發(fā)生器以選擇性地操縱合成單晶金剛石材料中的量子自旋缺陷，以便寫入信息到所述量子自旋缺陷，配置所述檢測器以選擇性地尋址一個或多個量子自旋缺陷，以便從所述量子自旋缺陷讀取信息。
[0116]在另一種替代性配置中，前述的磁場發(fā)生器可以被電場發(fā)生器替換。NV_缺陷的電子結構使得本發(fā)明的實施方案也可以用來測量電場，作為磁場的替代或補充。[0117]一個或多個處理器120可以被設置在自旋共振裝置中，并且連接到檢測器118以便接收和處理發(fā)射數(shù)據(jù)。所述一個或多個處理器120可被連接到用以輸出結果的輸出器122。輸出器122可以包括用來顯示自旋共振數(shù)據(jù)的顯示器。所述一個或多個處理器120和顯示器122可以被集成至自旋共振裝置中。作為替代或作為補充，輸出器122可以被適配用以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接糜谔幚砗惋@示數(shù)據(jù)的外部設備，例如筆記本計算機或臺式計算機。
[0118]此類裝置可以如前面關于圖9所述那樣發(fā)揮功能。作為替代或作為補充，使用高純度量子級合成單晶金剛石材料以便改善金剛石材料內的所述一個或多個量子自旋缺陷的消相干時間，可以選擇和利用合適的脈沖序列來增加消相干時間。因此，可以配置前面所述的裝置以便向所述一個或多個量子自旋缺陷賦予脈沖信號，從而增加消相干時間并且因此改善靈敏度。一種典型的脈沖序列包含η / 2脈沖，隨后為π脈沖，再隨后為另一 π /2脈沖。
[0119]雖然已參照優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了具體顯示和說明，但是本領域的技術人員將會理解，可以在不脫離由所附權利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下，在形式上和細節(jié)上進行各種改變。
【權利要求】
1.一種合成單晶金剛石材料，該合成單晶金剛石材料包含: 合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，其包含多個電子施主缺陷； 合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，其包含多個量子自旋缺陷；和 合成單晶金剛石材料的第三區(qū)域，其設置在所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間使得第一區(qū)域和第二區(qū)域被該第三區(qū)域間隔開， 其中，合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域和第三區(qū)域的電子旋主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，并且 其中，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域間隔開的距離為IOnm至100 μ m，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域拱給到合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域中形成帶正電荷的缺陷，同時該距離是足夠遠離的以便減少第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和/或產(chǎn)生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。
2.根據(jù)權利要求1所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域具有比第二區(qū)域更低的量子自旋缺陷濃度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域是層的形式。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域被設置在單一層內。
5.根據(jù)任一前述權利要求所述的 合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域內的電子施主缺陷濃度朝向第二區(qū)域降低。
6.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中由第一區(qū)域的鄰近第二區(qū)域的部分形成所述第三區(qū)域。
7.根據(jù)前述權利要求1到5中任一項所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域是由第二區(qū)域的一部分形成，所述第二區(qū)域和第三區(qū)域由受控光學尋址來界定，由此在使用中，與第一區(qū)域隔開IOnm至100 μ m距離的第二區(qū)域被光學尋址。
8.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋缺陷包括下列中的一種或多種:帶負電荷的含硅缺陷；帶負電荷的含鎳缺陷；帶負電荷的含鉻缺陷；和帶負電荷的含氮缺陷。
9.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋缺陷是帶負電荷的氮-空位缺陷(NV_)。
10.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述電子施主缺陷包括下列中的一種或多種:氮；磷；和硅。
11.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域的厚度等于或大于:IOnm ；IOOnm ；5 μ m ；50 μ m ； 100 μ m ;或 500 μ m。
12.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域的厚度等于或小于:2mm ;或1mm。
13.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域由合成CVD (化學氣相沉積)或合成HPHT (高溫高壓)金剛石材料形成。
14.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域中的電子施主缺陷的濃度等于或大于:1 X 1O16缺陷/ cm3 ;5X1016缺陷/ cm3 ;1 X 1O17缺陷/ cm3;5X1017 缺陷 / cm3 ;1X1018 缺陷 / cm3 ;5 X 1O18 缺陷 / cl ; 1 X IO19 缺陷 / cm3;或 2X IO19缺陷/ cm3。
15.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中的電子施主缺陷濃度等于或小于:1022缺陷/ cm3 ；1021缺陷/ cm3 ;或IO20缺陷/ cm3。
16.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中的電子施主缺陷濃度是第二區(qū)域中的量子自旋陷濃度的至少2、4、8、10、100、或1000倍。
17.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中的電子施主缺陷濃度是第二區(qū)域中的電子施主缺陷濃度的至少2、4、8、10、100、或1000倍。
18.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中的量子自旋缺陷的至少30%、40%、50%、60%、70%，80%或90%是帶負電荷的。
19.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域的厚度等于或大于:1nm ；5nm ； 1Onm ；50nm ； IOOnm ；500nm ;或 1 μ m。
20.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域的厚度等于或小于:100 μ m ;80 μ m ;60 μ m ;40 μ m ;20 μ m ;或 10 μ m。
21.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中的量子自旋缺陷濃度等于或大于:1 X 1O11缺陷/ cm3 ;1X1012缺陷/ cm3 ;1X1013缺陷/ cm3 ;1 X IO14缺陷 / cm3 ;1 X IO15 缺陷 / cm3 ; 1 X IO16 缺陷 / cm3 ; 1 X IO17 缺陷 / cm3 ; 1 X 1O18 缺陷 / cm3。
22.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中的量子自旋缺陷濃度等于或小于:4X IO18缺陷/ cm3 ;2X1018缺陷/ cm3 ;1X IO18缺陷/ cm3 ;1 X IO17缺陷 / cm3 -M IX IO16 缺陷 / cm3。
23.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨要么組合，其濃度等于或小于:1X 1O17缺陷 / cm3 ; 1 X 1O16 缺陷 / cm3 ;5X 1O15 缺陷 / cm3 ;1 X IO15 缺陷 / cm3 ;5X IO14 缺陷 / cm3;.1X 1O14 缺陷 / cm3 ;或 5X 1O13 缺陷 / cm3。
24.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中在垂直于第二區(qū)域主平面的方向上的第二區(qū)域的雙折射等于或小于:5Χ 10-5、1 X 10'5X 10'或1 X 10'
25.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋缺陷的消相干時間T2等于或大于0.05ms、0.lms、0.3ms>0.6ms、lms、5ms、或15ms,相應的T2*值等于或小于 400 μ S、200 μ S、150 μ S、100 μ S、75 μ S、50 μ S、20 μ S、或 1μ S。
26.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的厚度等于或大于:50nm ；1OOnm ；500nm ； 1μ m ； 10 μ m ；5? 20 μ m。
27.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的厚度等于或zj'T":80 μ m ；60 μ m ；40 μ m ；5? 30 μ m。
28.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域具有一定濃度的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨要么組合，該濃度等于或小于:.1 X 1O17 缺陷 / cm3 ;1X1016 缺陷 / cm3 ;5 X 1O15 缺陷 / cm3 ; 1 X 1O15 缺陷 / cm3 ;5 X 1O14 缺陷 / cm3 ; I X IO14 缺陷 / cm3 ;或 5 X IO13 缺陷 / cm3。
29.根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的量子自旋缺陷濃度等于或小于:1 X IO14缺陷/ cm3 ;1X1013缺陷/ cm3 ;1X1012缺陷/ cm3 ;1 X IO11缺陷 / cm3 ;或 I X IO10 缺陷 / cm3。
30.一種裝置部件，其包含根據(jù)任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料。
31.根據(jù)權利要求30所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面形成輸出耦合結構，以便增加光的輸出耦合。
32.根據(jù)權利要求31所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面中形成輸出耦合結構，由此通過該合成單晶金剛石材料的表面整體形成該輸出耦合結構。
33.根據(jù)權利要求31或32所述的裝置部件，其中所述輸出耦合結構包括下列中一種或多種:凸面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹陷或納米結構；衍射光柵；菲涅爾透鏡；和涂層，例如抗反射涂層。
34.一種裝置，其包含: 根據(jù)權利要求30-33任一項所述的裝置部件；和 光源，該光源用于光學泵浦所述合成單晶金剛石材料中的一個或多個量子自旋缺陷。
35.根據(jù)權利要求34所述的裝置，還包括: 檢測器，用以檢測來自合成單晶金剛石材料中的一個或多個衰變的量子自旋缺陷的發(fā)射。
36.根據(jù)權利要求34或35所述的裝置，還包括: 微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器用于操縱所述合成單晶金剛石材料中的一個或多個量子自旋缺陷。
37.根據(jù)權利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是磁力計，所述微波發(fā)生器被配置為掃描用來操縱所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷中一個或多個的微波頻率范圍。
38.根據(jù)權利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是自旋共振裝置，所述微波發(fā)生器被配置為掃描用來操縱所述合 成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷中一個或多個的微波頻率范圍，該自旋共振裝置還包括射頻或微波頻率發(fā)生器，其被配置為掃描用來操縱設置在所述合成單晶金剛石材料鄰近的樣品內的量子自旋的頻率范圍。
39.根據(jù)權利要求38所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是微流體裝置，該微流體裝置包括用于接收流體樣品的微流體通道，所述單晶合成CVD金剛石材料位于該微流體通道的鄰近。
40.根據(jù)權利要求38或39所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是自旋共振成像裝置，所述檢測器被配置用來在空間上解析來自所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷的發(fā)射，從而形成自旋共振圖像。
41.根據(jù)權利要求34所述的裝置，其中該裝置是量子信息處理裝置。
42.根據(jù)權利要求35、36和41所述的裝置，所述微波發(fā)生器被配置用以選擇性地操縱所述單晶合成金剛石材料中的所述量子自旋缺陷，以便寫入信息到所述量子自旋缺陷，所述檢測器被配置用以選擇性地尋址一個或多個所述量子自旋缺陷，以便從所述量子自旋缺陷讀取信息。
43.制造根據(jù)權利要求1到29中任一項所述的合成單晶金剛石材料的方法，其中通過下列中的一種或多種來界定所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域:不同的金剛石合成條件；合成后缺陷注入；合成后照射； 合成后退火；和受控的光尋址。
【文檔編號】C30B29/04GK103890244SQ201280021291
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年5月1日 優(yōu)先權日:2011年5月6日
【發(fā)明者】D·J·特維切, M·L·馬克漢姆, G·A·斯卡司布魯克 申請人:六號元素有限公司