Слои с квантовыми свойствами в CVD алмазах

В Институте прикладной физики РАН разработана технология создания локализованных ансамблей NV центров (комплексов «азот-вакансия») на заданной глубине с нанометровой точностью в искусственных алмазах, получаемых в процессе CVD-синтеза. Технология предназначена для приложений в области квантовых компьютеров и квантовой связи, а также для создания сверхчувствительных датчиков магнитных полей.

 В настоящее время прямое использование квантовых эффектов всё глубже проникает в наш мир. Квантовая криптография используется для создания защищенных от прослушивания каналов связи, квантовые сенсоры магнитных и электрических полей способны с высокой чувствительностью разрешать поля на масштабах, соразмеримых с размерами атомов, а также работать непосредственно внутри живой клетки, квантовые компьютеры потенциально могут намного превзойти классические в целом ряде вычислительных задач. Одним из перспективных «кирпичиков» для построения такого рода систем является так называемый NV центр окраски в алмазе, представляющий собой замещающий атом азота в кристаллической решетке алмаза, с расположенной рядом вакансией (комплекс «азот-вакансия»). NV центр обладает квантовыми свойствами, близкими к свойствам одиночного атома, но в отличие от обычного атома, свободно движущегося в пространстве, зафиксирован внутри кристаллической решетки алмаза, что в совокупности с его уникальными квантовыми свойствами (возможность «записи» и «чтения» спинового состояния при помощи оптического излучения, магнитного, электрического и СВЧ полей) обеспечивает удобство его применения для таких задач.

Для создания NV центров в алмазе часто используется ионная имплантация – алмаз облучается разогнанными до высоких скоростей ионами азота, которые проникают внутрь кристаллической решетки и образуют там NV центры. Однако этот метод является довольно грубым – проникающие в алмаз атомы создают нарушения кристаллической решетки, ухудшающие свойства NV центров, кроме того при таком методе сложно контролировать глубину создаваемого слоя, а сам слой получается достаточно толстым.

В ИПФ РАН уже давно исследуется CVD метод синтеза алмаза (осаждение из газовой фазы), который позволяет выращивать монокристаллические алмазы высокого кристаллического совершенства с низким содержанием посторонних примесей и вводить необходимую концентрацию примесей в алмаз в процессе его роста. Недавно в разработанном в ИПФ РАН новом CVD реакторе, в котором реализовано быстрое (порядка нескольких секунд) изменение состава газовой смеси за счет формирования в реакторе ламинарных потоков газа без вихрей и застойных зон, была разработана технология роста сверхтонких легированных слоёв при помощи включения подачи легирующей примеси на короткое время. С использованием этой технологии были сформированы тонкие, толщиной всего 3 нанометра, легированные слои алмаза, так называемые дельта-слои. Образующиеся в таком дельта-слое NV центры обладают хорошими квантовыми свойствами и с высочайшей точностью локализованы в пространстве. Дополнительное облучение выбранных областей электронами с энергией 200 кэВ приводит к образованию дополнительных вакансий, в результате после отжига концентрация NV центров возрастает в 20 раз.

Разработанная технология контролируемого создания NV центров в CVD алмазе представляет интерес для целого ряда приложений в области квантовой связи и квантовой информации, а также для создания сверхчувствительных сенсоров магнитных и электрических полей.

Авторский коллектив: А.М. Горбачев, М.А. Лобаев, С.А. Богданов, А.Л. Вихарев, Д.Б. Радищев, С.А. Гусев, С.В. Большедворский (ИПФ РАН, ФИАН)

Схема легированного азотом дельта-слоя CVD алмаза