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公開番号2025023111
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-14
出願番号2024208076,2022168174
出願日2024-11-29,2019-01-24
発明の名称合成ダイヤモンド材料
出願人エレメントシックステクノロジーズリミテッド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類C23C 16/27 20060101AFI20250206BHJP(金属質材料への被覆;金属質材料による材料への被覆;化学的表面処理;金属質材料の拡散処理;真空蒸着,スパッタリング,イオン注入法,または化学蒸着による被覆一般;金属質材料の防食または鉱皮の抑制一般)
要約【課題】様々な種類のダイヤモンド材料が、磁気測定用途のために提案されてきたが、本発明の実施形態の目的は、新規の検知用途のためのダイヤモンド材料を最適化することである。
【解決手段】合成ダイヤモンド材料は、表面を含み、表面は、第1の量子スピン欠陥濃度を含む、第1の表面領域を含む。第2の表面領域は、所定の範囲を有し、第1の表面領域に隣接して配置され、第2の領域は、第2の量子スピン欠陥濃度を含む。第1の量子スピン欠陥濃度は、第2の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも10倍高く、第1の表面領域または第2の表面領域のうちの少なくとも一方は、化学蒸着、CVD、合成ダイヤモンドを含む。合成ダイヤモンド材料を製造する方法も開示される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、
第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域、
所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置された、第２の量子スピン欠陥濃度を含む、第２の表面領域であって、第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高い、第２の表面領域
を含み、
第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方が、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む、合成ダイヤモンド材料。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
量子スピン欠陥が、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、請求項１に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項３】
量子スピン欠陥が、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ
-
である、請求項１に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項４】
第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高い、請求項１～３のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項５】
表面が、実質的に平坦な表面である、請求項１～４のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項６】
第１の量子スピン欠陥濃度が、１ｘ１０
13
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
14
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
15
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
16
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
17
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
と等しいか、またはそれらよりもより高い、請求項１～５のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項７】
第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度が、４ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、２ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
17
欠陥／ｃｍ
3
、または１ｘ１０
16
欠陥／ｃｍ
3
と等しいか、またはそれらよりもより低い、請求項１～６のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項８】
量子スピン欠陥が、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間Ｔ
2
を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項９】
複数の第１の表面領域をさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１０】
平坦な前面の下の、第１の領域の深さが、１００ｎｍ～１００μｍである、請求項１～９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成ダイヤモンド材料の分野、および合成ダイヤモンド材料を製造する方法に関連する。
続きを表示（約 5,500 文字）【背景技術】
【０００２】
合成ダイヤモンド材料における点欠陥、特に、量子スピン欠陥、および／または、光学活性欠陥は、磁力計、スピン共鳴装置、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置および電子スピン共鳴（ＥＳＲ）装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用のスピン共鳴イメージング装置、ならびに例えば、量子計算用の量子情報処理装置を含む、様々な検知用途、検出用途、および量子処理用途において使用するために提案されてきた。
ケイ素空孔欠陥（Ｓｉ－Ｖ）、ケイ素複空孔欠陥（Ｓｉ－Ｖ
2
）、ケイ素空孔水素欠陥（Ｓｉ－Ｖ：Ｈ）、ケイ素複空孔水素欠陥（Ｓ－Ｖ
2
：Ｈ）などのケイ素含有欠陥、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥、ならびに窒素空孔欠陥（Ｎ－Ｖ）、二窒素空孔欠陥（Ｎ－Ｖ－Ｎ）、および窒素空孔水素欠陥（Ｎ－Ｖ－Ｈ）などの窒素含有欠陥を含む、多くの点欠陥が、合成ダイヤモンド材料において研究されてきた。これらの欠陥は、典型的には、中性電荷状態において、または負電荷状態において認められる。これらの点欠陥が、２個以上の結晶格子点にわたって拡張することも留意されたい。本明細書における用語、点欠陥は、こうした欠陥を含むが、１０個以上の格子点にわたって拡張するものなどの、より大きなクラスター欠陥、または多くの格子点にわたって拡張することがある転位などの拡張欠陥は含まないことが意図される。
【０００３】
ある種の欠陥は、その負電荷状態にあるとき、検知用途、検出用途、および量子処理用途において、特に有用であることが明らかになった。例えば、合成ダイヤモンド材料における、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥（ＮＶ
-
）は、有用な量子スピン欠陥として多くの興味を引きつけてきた。というのは、幾つかの望ましい特徴：
（ｉ）室温での長いコヒーレンス時間（横緩和時間Ｔ
2
および／またはＴ
2
*
を用いて、定量化し、比較することができる）のために、その電子スピン状態を高い忠実度で、コヒーレントに操作することができる
（ｉｉ）その電子構造により、欠陥を、その電子基底状態に光ポンピングすることができ、こうした欠陥を、非極低温でさえも、特定の電子スピン状態に置くことができる。これにより、小型化が望ましい、ある種の用途について、高価かつ嵩張る極低温冷却設備の必要性をなくすことができる。さらに、欠陥は、全てが同じスピン状態を有する光子の源として機能することができる、および
（ｉｉｉ）その電子構造は、欠陥の電子スピン状態を、光子を介して読み出すことができる、発光性および非発光性の電子スピン状態を含む。これは、磁力計、スピン共鳴分光、およびイメージングなどの検知用途で用いられる合成ダイヤモンド材料から情報を読み出すのに好都合である。さらに、それは、長距離量子通信および拡張可能な量子計算のための量子ビットとして、ＮＶ
-
欠陥を用いることに対する重要な要素である。こうした結果により、ＮＶ
-
欠陥は、固体状態量子情報処理（ＱＩＰ）のための競合的候補となる
を有するからである。
【０００４】
ダイヤモンド中のＮＶ
-
欠陥は、炭素空孔に隣接した置換型窒素原子で構成される。その２個の不対電子は、電子基底状態においてスピン三重項（
3
Ａ）を形成し、縮退したｍ
s
＝±１副準位は、ｍ
s
＝０準位から２．８７ＧＨｚ離れている。ｍ
s
＝０副準位は、光ポンピングされるとき、高い蛍光率を示す。対照的に、欠陥が、ｍ
s
＝±１準位において励起されるとき、非放射一重項状態（
1
Ａ）にクロスオーバーし、引き続いて緩和してｍ
s
＝０になる確率がより高くなる。結果として、スピン状態を光学的に読み出すことができ、ｍ
s
＝０状態は「明るく」、ｍ
s
＝±１状態は「暗い」。外部磁場を加える場合、スピン副準位ｍ
s
＝±１の縮退がゼーマン分裂により壊される。これにより、加えられた磁場の大きさおよびその方向に応じて、共鳴線の分裂が生じる。全ての、４つの可能なＮＶアライメントが、試料の、励起および検出の領域に存在する場合、この依存性を、ベクトル磁気測定に用いることができる。というのは、マイクロ波（ＭＷ）周波数を掃引し、その結果、光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルに特有のディップをもたらすことによって、共鳴スピン遷移を探ることができるからである。
【０００５】
合成ダイヤモンド材料のＮＶ
-
欠陥は、以下の、幾つかの異なる方法：
（ｉ）成長中に、窒素空孔対として窒素原子および空孔が結晶格子に組み込まれる、合成ダイヤモンド材料の成長中に形成すること
（ｉｉ）ある温度（約８００℃）で、材料を成長後にアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、天然の単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に、成長過程中に組み込まれた、天然の窒素および空孔欠陥から形成すること
（ｉｉｉ）電子または中性子で合成ダイヤモンド材料を照射して、空孔欠陥を導入し、引き続いて、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、天然の単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に、成長過程中に組み込まれた、天然の窒素欠陥から形成すること
（ｉｖ）ダイヤモンド材料合成後の合成ダイヤモンド材料へ窒素欠陥を埋め込み、次いで、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた天然の空孔欠陥の移動を生じて、埋め込まれた単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に形成すること
（ｖ）合成ダイヤモンド材料を照射して、空孔欠陥を導入し、照射前または照射後の、合成ダイヤモンド材料へ窒素欠陥を埋め込み、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、埋め込まれた単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に形成すること
において形成することができる。
【０００６】
先行技術において、多様な種類の磁気測定用途において使用するための、多様な種類のダイヤモンド材料が開示されてきた：
磁気測定用途のための高圧高温（ＨＰＨＴ）ダイヤモンド材料の物性が論述された、Acosta et al., Phys. Rev. B80, 115202
磁気測定などの用途のための、低い窒素含有量の、単結晶化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド材料が開示された、国際公開第２０１０／０１０３５２号および国際公開第２０１０／０１０３４４号
磁気測定などの用途のための、照射され、アニールされた、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が開示された、国際公開第２０１０／１４９７７５号。
【発明の概要】
【０００７】
様々な種類のダイヤモンド材料が、磁気測定用途のために提案されてきたが、本発明の実施形態の目的は、新規の検知用途のためのダイヤモンド材料を最適化することである。
第１の態様によれば、表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域を含む、合成ダイヤモンド材料が提供される。第２の表面領域は、所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置され、第２の領域が、第２の量子スピン欠陥濃度を含む。第１の量子スピン欠陥濃度は、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高く、第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方は、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む。
様々な種類の量子スピン欠陥を、合成ダイヤモンド材料中に工学的に作り出すことができる。ダイヤモンド中の量子スピン欠陥の例には、任意の、ケイ素、ニッケル、クロム、ゲルマニウム、スズ、および窒素のいずれかを含有する欠陥が挙げられる。これらの一部は、負に帯電しても、中性であっても、または正に帯電してもよい。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ
-
である。
第１の量子スピン欠陥濃度は、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高くてもよい。
本発明は、実質的に平坦な表面を含む、いずれの種類の表面にも適用することができる。
【０００８】
第１の量子スピン欠陥濃度は、１ｘ１０
13
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
14
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
15
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
16
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
17
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
と等しいか、またはそれらよりもより高くてもよい。
第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度は、４ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、２ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
18
欠陥／ｃｍ
3
、１ｘ１０
17
欠陥／ｃｍ
3
、または１ｘ１０
16
欠陥／ｃｍ
3
と等しいか、またはそれらよりもより低くてもよい。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間（Ｈａｈｎ－ｅｃｈｏｄｅｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｉｍｅ）Ｔ
2
を有する。
合成ダイヤモンド材料は、複数の第１の表面領域を含んでもよい。
平坦な前面の下の、第１の領域の深さは、１００ｎｍ～１００μｍであってもよい。
さらなる一選択肢として、表面は、ホウ素を含む第３の表面領域をさらに含む。ホウ素ドープにより、ダイヤモンドが導電性になり、したがって、これを用いて、第１の表面領域の近傍に電場を加えることができる。
一選択肢として、第２の表面領域は、第１の表面領域を取り囲む。
【０００９】
第２の態様によれば、第１の態様において前述された、合成ダイヤモンド材料を製造する方法が提供される。方法は、前面を有する合成ダイヤモンド基材を用意するステップを含む。ＣＶＤ法を用いて、単結晶ダイヤモンド基材の前面上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させる。次いで、合成ダイヤモンド基材の前面を処理して、ダイヤモンド基材材料の第２の表面領域に隣接した、さらなるダイヤモンド材料の第１の表面領域を有する検知表面を形成し、さらなるダイヤモンド材料の量子スピン欠陥濃度は、合成ダイヤモンド基材材料の量子スピン欠陥よりも少なくとも１０倍高い。
一選択肢として、方法は、ダイヤモンド基材の前面に、少なくとも１個の凹部を形成するステップ、凹部においてさらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、および合成ダイヤモンド基材の前面上のさらなるダイヤモンド材料を再び処理して、検知表面を形成するステップを含む。凹部は、エッチング、マスクエッチング（ｍａｓｋｅｄｅｔｃｈｉｎｇ）、研削、および研磨のいずれかによって形成されてもよく、１００ｎｍ～１００μｍの深さを有する。
【００１０】
代替的な一選択肢として、方法は、前面上に、少なくとも１個の開口部を有するマスクを配置するステップ、および前面上で、選択された範囲でさらなるダイヤモンド材料を成長させるように、マスク上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップを含む。次いで、マスクを取り除き、前面上に、第２のさらなるダイヤモンド材料を成長させる。次いで、第２のさらなるダイヤモンド材料を処理して、検知表面を形成する。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、ケイ素、ニッケル、クロム、ゲルマニウム、スズ、および窒素のいずれかを含む。
さらなる一選択肢として、量子スピン欠陥は、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥、ＮＶ
-
である。
処理するステップは、照射するステップおよびアニールするステップのいずれかを含んでもよい。例えば、これを用いて、ダイヤモンド中の窒素をＮＶ
-
中心に変換する。
第３の態様によれば、流体試料を受けるためのマイクロ流体チャンネル、マイクロ流体チャンネルに隣接して配置されたセンサーを含むマイクロ流体セルであって、センサーが、第１の態様において前述された合成ダイヤモンド材料を含む、マイクロ流体セルが提供される。
（【００１１】以降は省略されています）

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