金刚石氮-空位缺陷电荷态的光致发光研究

作     者：郭睿昂 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王凯悦

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：金刚石 电子辐照 NV色心 电荷转化 光致发光 

摘      要：金刚石具有宽禁带、高热导率、高载流子迁移率、高本征温度和高击穿电压等优点,其在电子器件、高频微波器件和高温大功率器件等领域有着广阔的应用前景。氮是金刚石中最常见的杂质原子,在天然和人造金刚石中都普遍存在,因此研究氮掺杂金刚石具有重要的研究意义。晶体中氮杂质的存在会造成晶格畸变,在其邻近位置经常存在一个空位,即氮-空位缺陷(NV色心)。NV色心不仅仅有稳定的光学特性,更重要的是其在室温下是一种理想的量子比特。然而这些优异的特性仅归属于带负电荷的NV色心,而不属于中性的NV°色心。因此控制NV色心的电荷状态具有重要的研究意义。本论文利用光致发光光谱对氮掺杂金刚石中NV色心电荷态的辐照退火调控进行研究,揭示了氮含量、退火温度、激发功率、测试温度对NV色心电荷态的影响规律,阐明了NV色心电荷态的转变机理,为NV色心在磁场探测、温度探测和自旋探测等领域的应用提供了理论支持。具体结果如下:(1)NV色心的电荷态取决于NV°色心与杂质氮原子之间的距离。氮含量越高,NV°色心与氮原子之间的距离越小,NV°色心越容易从附近的杂质氮处得到电子,转化为NV色心。随着退火温度的升高,NV色心之间的电荷态平衡逐渐被打破。氮含量越高,NV°色心更趋向于获取电子转化为NV色心;反之,NV色心更趋向于失去电子转化为NV°色心。(2)563.2 nm,579.4 nm和596.5 nm零声子线很可能是由氮-间隙原子缺陷引起的。400～600℃退火过程后,间隙原子会逃离氮杂质的束缚,并扩散至空位处而湮灭,而升温至700℃后,此时空位会发生自由移动,并扩散至氮杂质处被束缚而形成NV色心。(3)随着激发功率的升高,低的氮含量使得金刚石NV色心在跃迁过程中更容易发生俄歇复合,使NV转化为NV°色心;而高的氮含量会抑制金刚石NV色心发生俄歇复合,此时NV°色心的共振激发有助于捕获电子形成NV色心。(4)随着测试温度的升高,NV色心在跃迁过程中更容易以发射声子的形式来释放能量,使其强度发生猝灭,而低氮金刚石中NV/NV°强度比不随测试温度发生变化,这说明对于低氮金刚石来说,在室温下就可准确地测试NV/NV°强度比。