CC BY
13^лодыГучГны; новые материалы, активные среды и наноструктуры
Инженерия центров окраски германий-вакансия в алмазе
1 12 Седов В.С. , Мартьянов А.К. , Хомич А.А.
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, Фрязино
Е-mail: sedovvadim@,yandex. ru
В последнее время большой интерес вызывает создание и исследование однофотонных эмиттеров на основе фотоактивных центров (центров окраски) в алмазе [1]. Ряд центров окраски в алмазе, таких как германий-вакансия Ge-V, обладает высокими яркостью, квантовой эффективностью и стабильностью при комнатной температуре, короткими излучательными временами жизни и узкими линиями, что открывает перспективы для создания алмазных однофотонных эмиттеров для квантовых оптических исследований, обработки информации, криптографии и наноразмерной магнитометрии, а также для использования в качестве оптических биомаркеров и локальных датчиков температуры [2]. Алмаз, равномерно и контролируемым образом легированный германием, можно синтезировать методом химического осаждения из газовой фазы (англ. Chemical Vapor Deposition, CVD) в СВЧ плазме в газовых смесях «метан-водород-герман» [3], однако эффективность встраивания германия в алмаз из газовой фазы до сих пор остаётся неизвестной. К тому же, важной задачей является контролируемая инженерия распределения центров окраски по синтезируемому образцу [4].
Синтез поликристаллических алмазных пленок производился на подложках Si в СВЧ плазме в реакторе ARDIS-100 (2.45 ГГц, 5 кВт), в газовой смеси CH4/H2 (+GeH^ при общем расходе газа 500 станд.см3/мин и СВЧ мощности 5.0 кВт. Варьирование давления в камере (63-94 торр для разных образцов) использовалось для изменения температуры подложки во время синтеза. Концентрация метана по отношению к водороду CH4/H2 поддерживалась постоянной: 4 %. Концентрация германа в камере по отношению к метану (GeH4/CH4) составляла 10 %. Температура подложки во время синтеза для разных образцов составляла от 750 до 950 °C. Толщина
19-21 октября 2021 г
всех синтезированных плёнок контролировалась во время СУО-процесса методом лазерной интерферометрии [5] и по завершению роста составляла (5±0.5) мкм.
Наличие различных углеродных фаз и эффективность образования Ge-V центров в исследуемых образцах определялись с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и фотолюминесценции (ФЛ) на установке LABRAM HR-800 с использованием возбуждающего излучения твердотельного лазера на длине волны 473 нм. В спектре КР синтезированных пленок наблюдается характерный для алмаза узкий пик на частоте 1332 см \ В спектре ФЛ линия на длине волны 602 нм связана с эмиссией Ge-V центров. Установлено, что интенсивность ФЛ центров Ge-V в синтезированных плёнках немонотонно зависит от температуры подложки во время синтеза (Рис. 1). В частности, экспериментально обнаружен воспроизводимый аномальный локальный минимум интенсивности ФЛ при температуре подложки 850 °С. Полученные данные будут в дальнейшем использованы для инженерии центров окраски Ge-V при синтезе легированных германием поликристаллических и эпитаксиальных монокристаллических алмазных плёнок.
Рис. 1. Спектры ФЛ поликристаллических алмазных плёнок,
синтезированных в смесях «метан-водород-герман» при различных температурах подложки.
Работа поддержана грантом РНФ № 21-72-10153.
1. Ralchenko V.G., Sedov V.S., Martyanov A.K. et al. ACS Photonics. 2018, 6, 66-72.
2. Romshin A.M., Zeeb V., Martyanov A.K. et al. Sci Rep. 2021, 11, 14228.
3. Sedov V., Martyanov A., Savin S. et al. Diam. Relat. Mater. 2018, 90, 47-53.
4. Ralchenko V., Sedov V., Saraykin V. et al. Appl. Phys. A 2016, 122, 1-6.
5. Sedov V.S., Martyanov A.K., Khomich A.A. Diam. Relat. Mater. 2020, 109, 108072.
