ИОФ РАН
Формирование центров окраски Германий-Вакансия в поли- и монокристаллических CVD-алмазах
Пресс-релиз публикации: V. Sedov, A. Martyanov, I. Tiazhelov, A. Romshin, D. Pasternak, K. Boldyrev, V. Krivobok, S. Savin, P. Pivovarov, M. Nesladek, V. Ralchenko, Formation of Ge-V color centers in poly-and monocrystalline CVD diamond: A comparative study, Diamond and Related Materials. 138 (2023) 110206. DOI: 10.1016/j.diamond.2023.110206
Авторским коллективом из ИОФ РАН впервые осуществлена инженерия поликристаллических и монокристаллических алмазных плёнок, легированных германием, заключающаяся в поэтапном комбинировании высокоскоростного синтеза алмаза в СВЧ плазме с использованием газообразного источника примеси (моногермана GeH4) с последующим медленным утонением синтезированной плёнки до нужной толщины за счёт её травления атомарным водородом. Легирование германием привело к формированию центров окраски Германий-Вакансия (Ge-V), которые были детектированы по характерному пику в спектрах фотолюминесценции на длине волны 602 нм. Данный центр активно используется для решения задач квантовой оптики, локальной оптической термометрии, а также формирования алмазного лазера с фиксированной длиной волны излучения.
В работе продемонстрировано гибкое применение метода химического осаждения из газовой фазы в СВЧ-плазме (MPCVD) с использованием газовых смесей метан-водород-герман для синтеза алмазных слоев, содержащих центры Ge-V, как большой толщины (более 100 мкм), так и субмикронных слоёв, содержащих одиночные центры окраски. Ключевым отличием данной работы от результатов других мировых научных групп-конкурентов является то, что алмаз равномерно легировался германием по всей толщине плёнки, что позволяло производить инженерию люминесцентного материала. Более того, последующее утонение тонкоплёночных образцов путем травления в водородной плазме позволило сформировать массив одиночных центров Ge-V, подготовленных таким образом для формирования на основе данного образца квантово-оптических систем.
В целях фундаментального изучения оптических свойств центров Ge-V в работе регистрировались и сравнивались спектры ФЛ и поглощения при комнатной и низкой (5 К) температурах. Высокая концентрация центров Ge-V в синтезированных моно- и поликристаллических алмазных слоях толщиной более 100 мкм впервые позволила зарегистрировать спектры поглощения центров Ge-V при низких температурах. На основании полученных данных произведен сравнительный анализ спектров поглощения центров Ge-V и «родственных» к ним центров Кремний-Вакансия (Si-V – элементы Si и Ge оба принадлежат IV группе таблицы Менделеева и расположены в 3 и 4 периодах, соответственно), а также сравнение спектров легированных германием монокристаллических и поликристаллических алмазных слоёв.
Пресс-релиз подготовил: старший научный сотрудник научного центра естественно-научных исследований ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук В.С. Седов.
Рис. 1. Изображение РЭМ синтезированной алмазной пленки толщиной 175 мкм, легированной германием. (Источник: V. Sedov, A. Martyanov, I. Tiazhelov, A. Romshin, D. Pasternak, K. Boldyrev, V. Krivobok, S. Savin, P. Pivovarov, M. Nesladek, V. Ralchenko, Formation of Ge-V color centers in poly-and monocrystalline CVD diamond: A comparative study, Diamond and Related Materials. 138 (2023) 110206. DOI: 10.1016/j.diamond.2023.110206)