Люминесценция одиночных SiV центров в CVD алмазных нанокристаллах, выращенных в режиме спонтанной нуклеации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Люминесценция одиночных SiV центров в CVD алмазных нанокристаллах, выращенных в режиме спонтанной нуклеации

1 2 Пастернак Д.Г. , Мартьянов А.К. ,

1 13

Кудрявцев О.С. Ромшин А.М. '

1 - ЦЕНИ, ОСПЯ, лаборатория углеродной нанофотоники

2 - ЦЕНИ, ОСПЯ, лаборатория алмазных материалов

3 - МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет

Е-mail: dg.pasternak@physics. msu. ru

Алмазные кристаллы нанометрового размера, содержащие разнообразные центры окраски, являются перспективным материалом для создания на их основе источников одиночных фотонов, чувствительных наномагнитометров [1], люминесцентных маркеров для биомедицины. В настоящей работе исследуются люминесцентные характеристики одиночных центров «кремний-вакансия» (SiV) в алмазных наночастицах. Наноалмазы (НА) растили CVD методом в СВЧ-плазменном реакторе из метан-водородной смеси в условиях их спонтанного зарождения на кремниевой и сапфировой подложках. SiV центры формировались в алмазной решетке в процессе синтеза: источником кремния служил силан (в случае сапфировой подложки) или сама кремниевая подложка, подвергающаяся травлению в плазме реактора. Время роста составляло от 5 до 30 min. Морфология кристаллов исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа и атомно-силового микроскопа, люминесцентные свойства в при комнатных и гелиевых температурах в условиях нерезонансного и резонансного возбуждения SiV центров - с помощью конфокального люминесцентного микроскопа, совмещенного с монохроматором.

На примере образца, выращенного на кремнии в течение 15 min, с характерными размерами частиц от 50 до 350 nm, изучалась равномерность распределения концентрации SiV центров по объему этого образца. Концентрация SiV оценивалась из соотношения интенсивности SiV люминесценции отдельной алмазной частицы к ее объему, пропорциональному интенсивности КР линии алмаза. Для образца с наименьшими характерными размерами частиц (50-

100 nm), выращенного на кремнии в течение 5 min, удалось разрешить люминесцентные линии одиночных SiV центров с длиной волны вблизи 738 nm в индивидуальных кристаллитах при гелиевых температурах в условиях как резонансного (рис. 1), так и нерезонансного возбуждения.

Ф

х н

О

о

0

1

ш S

0

1

ф

Длина волны резонансного возбуждения, нм

Рис. 1. Флуоресцентный спектр НА при резонансном возбуждении при гелиевых температурах (время роста 5 min, подложка кремниевая)

et

(1J

э

& - *

о . *

m . , О

ь ♦ • ♦ ..... .

£ * О

о * •

Н ♦ ,

ш • .

о

0) J-

S

с

о

Угол поворота поляризатора, градусы

Рис. 2. Поляризация флуоресцентной линии SiV центра под действием резонансного возбуждения

Исследования свойств ряда отдельных линий люминесценции показали: SiV центры в полученных CVD наноалмазах обладают

стабильной эмиссией при резонансном и нерезонансном возбуждении, а также проявляют достаточно высокую поляризационную чувствительность (рис. 2).

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования предложенного нами подхода к CVD синтезу алмазных наночастиц с SiV центрами в режиме спонтанной нуклеации для создания алмазных источников одиночных фотонов.

Авторы выражают благодарность научным руководителям Власову И.И. и Седову В.С. за тему работы и контроль над экспериментом.

1. Radulaski M., Zhang J.L. et al. Laser Photonics Review. 2019, 13(8), 1800316(14pp.)