在(111)金刚石中，利用飞秒激光技术制备出具有优先取向的浅层NV中心

《Diamond and Related Materials》：Femtosecond laser writing of preferentially orientated shallow NV centers in (111) diamond

量子传感中NV中心制备与定向技术研究，采用线性偏振飞秒激光在(111)金刚石/BN薄膜复合结构表面加工，通过 Coulomb 爆炸诱导离子轰击产生浅层（<100nm）NV中心，经850℃退火获得88.5%产量和60%[111]轴向取向优势，突破传统CVD与离子注入技术对深度和取向的耦合控制限制。

　　

Xinrui Yuan|Junjie Lin|Yujing Cao|Sashuang Zhu|Mengting He|Botao Wu|E Wu

华东师范大学精密光谱国家重点实验室，上海，200241，中国

摘要

金刚石中的氮空位（NV）中心是高度稳定的量子发射体，在量子传感领域具有重要的应用潜力。NV中心作为量子传感器的性能从根本上受到其在金刚石中的深度和取向的限制：由于浅层NV中心具有依赖于深度的光子收集效率，因此具有更高的检测灵敏度；而高取向比的NV中心可以提高自旋态读出的传感对比度。然而，目前主流的NV中心制备方法在同时操控NV中心的深度和取向方面仍面临重大挑战。本研究利用线偏振飞秒激光照射，在涂有氮化硼（BN）薄膜的（111）金刚石表面成功制备出了浅层且取向可控的单个NV中心。通过高能聚焦激光诱导BN薄膜中的离子发生库仑爆炸并撞击金刚石表面产生空位，随后进行热退火处理，在室温条件下在金刚石表面以下100纳米深度范围内制备出了NV中心，单个NV中心的产率达到88.5%。光学检测的磁共振光谱分析显示，这些NV中心沿[111]方向具有优先取向，其取向比远高于自然分布的取向。该方法结合了高空间分辨率、可控取向和室温处理的优点，为高性能量子传感器的发展提供了新的技术途径。

引言

基于金刚石的缺陷，尤其是由氮原子与晶格空位相邻形成的负电荷氮空位（NV）中心，是备受期待的量子发射体[1][2]。NV中心在室温下能够稳定发射光子[1][3]，且作为宿主材料的金刚石具有生物安全性[4][5]，这使得基于金刚石的NV中心适用于生物医学应用。通过施加微波场可以操控NV中心的两个自旋态之间的跃迁，这一过程可以通过荧光进行光学读取[6][7]。因此，具有独特物理特性的单个NV中心在量子信息技术[8][9][10]等多个领域具有巨大潜力。此外，它们作为原子级量子传感器，在室温或更高温度下工作，并具备高纳米级的空间分辨率[11][12][13][14]。在金刚石晶格中，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成共价键，构成规则的四面体结构[9]，因此NV中心有四种可能的取向。在自然条件下，NV中心的形成是一个随机过程，四种取向的概率相等且随机分布。然而，在实际应用中（如磁场传感），需要选择性地利用特定取向的NV中心，而其他取向的NV中心则被视为应被抑制的背景信号[15]。定向良好的NV中心也能更好地与外部场对齐，从而减少各向异性相互作用导致的自旋退相干[16]。因此，提高沿优选取向排列的NV中心的比例至关重要，这样可以利用更多的NV中心，从而提高读出对比度[17][18]。NV中心的深度也显著影响其作为量子传感器的性能，主要是因为信号场的强度高度依赖于深度，而近表面NV中心具有更高的灵敏度，并且测量时间更短[19]。目前已有多种关于金刚石中NV中心可控制备技术的研究。通常，化学气相沉积（CVD）和离子注入是制备NV中心的主流方法[20][21]。CVD方法需要高温和真空等严格实验条件，且无法精确控制NV中心的空间位置；离子注入可以准确定位NV中心的位置[22][23]，但难以控制其取向，且设备复杂且昂贵。近年来，采用超快激光处理后进行退火的方法已成为一种方便、灵活且高效的室温下制备NV中心的方法。飞秒激光具有超短脉冲和高峰值功率，可以通过非线性电离在金刚石表面内部或附近产生空位缺陷，随后空位迁移到氮原子处形成NV中心。借助物镜聚焦、三维位移平台和空间光调制技术，飞秒激光处理技术可以在数百微米深度内制备NV中心，并具备三维空间定位能力。Chen等人利用修正像差的聚焦飞秒激光直接在金刚石内部50微米深处写入相干的单个NV中心[24]；Gao等人采用空间光调制辅助的飞秒激光直写方法，在金刚石内部95微米深处制备出高质量的单个NV中心，产率高达56%[25]。我们使用800纳米飞秒激光照射涂有硅纳米薄膜的（100）金刚石表面，成功制备出了SiV和NV中心[26]。然而，上述制备金刚石中NV中心的方法在同时控制其深度和取向方面仍面临挑战。

在本研究中，我们报道了一种可控制备具有优选取向的近表面NV中心的方法。该方法是通过在涂有氮化硼（BN）薄膜的金刚石表面照射线偏振800纳米飞秒激光实现的。制备出的单个NV中心产率高达88.5%，几乎都位于金刚石表面以下100纳米深度。光学检测的磁共振（ODMR）测试表明，这些NV中心沿[111]方向的取向比高达60%。与CVD方法相比，飞秒激光写入方法在制备具有优选取向的近表面NV中心方面具有更高的可控性和效率，有利于NV中心在量子检测和量子传感中的应用。

材料与方法

本研究中使用的原始金刚石是通过CVD方法合成的电子级金刚石，氮浓度低于5 ppb，其表面晶体取向为（111）方向。未经处理的金刚石在532纳米激光激发下不显示稳定荧光，仅存在来自金刚石固有结构的拉曼信号。这确保了没有预先存在的缺陷干扰激光写入的结果。在激光处理之前，

结果与讨论

飞秒激光处理在金刚石表面产生的烧蚀坑直径约为10微米，可通过CCD检测到，适合作为后续扫描的标记。为了验证BN薄膜对NV中心制备的影响，我们使用2.5毫瓦的800纳米飞秒激光照射了未涂覆BN薄膜的金刚石。处理区域在850°C退火前后的扫描图像如下

结论

我们利用线偏振800纳米飞秒激光在涂有BN薄膜的（111）金刚石上制备出了具有高取向比的浅层单个NV中心。在高能飞秒激光照射下，BN薄膜中的正离子通过库仑爆炸撞击金刚石表面附近产生空位，退火后空位迁移到氮原子处形成NV中心。二阶自相关g²(τ)

作者贡献声明

Xinrui Yuan：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、数据分析。Junjie Lin：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、实验研究。Yujing Cao：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、实验研究。Sashuang Zhu：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、实验研究。Mengting He：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、实验研究。Botao Wu：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、项目监督、资金争取、形式化工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（12274137）和上海市自然科学基金（22ZR1421100）的支持。