俄罗斯钻石:具有珍贵瑕疵的纳米金刚石

具有氮空位(NV)色心的金刚石因其荧光和电学特性而受到人们的追捧。最近,俄罗斯科学家制造出了具有更高的NV色心浓度的金刚石,工艺效率也较以往有了提升。

本文英文原文由 Carol Stanier 发表自Materials Views

当金刚石中的一个碳原子被氮原子所取代,并形成相邻的晶格空位时,便形成了氮空位色心,它们受到了较多的关注和研究。氮空位色心以中性(NV)或带负电(NV)的形式存在,其中NV色心在磁力仪、生物传感器、单光子源和量子计算机等领域具有应用价值。此外,含NV色心的金刚石,也是目前可供人们操控其内部的局域化单电子自旋状态的唯一的固态材料。

目前,多数具有NV色心的金刚石是通过辐射方法制备的,即对体材料金刚石、微粒金刚石或纳米金刚石进行离子、中子或电子辐射处理。上述方法需要采用昂贵的设备,并且会造成较高浓度的缺陷,影响产物金刚石的质量。尽管近期有科学家制造出了直径7纳米左右的含NV色心的纳米金刚石,但方法的效率并不高,且不适于商业化生产。

最近,Pavel Baranov与其在俄罗斯约飞技术物理研究所(Ioffe  Physical-Technical Institute)和喀山国立大学(Kazan State University)的同事,首次发现了在纳米金刚石中制造高浓度的NV色心的方法。他们采用由三硝基甲苯(TNT)和RDX炸药爆轰制备的爆轰纳米金刚石(DND)粉末为原料,在800°C高温、6GPa高压下对DND进行短时间(11秒)的烧结,控制了微粒的生长,从而制造出了大小4-5纳米,NV色心含量约1%,且NV色心比例较高(每立方毫米1个)的金刚石微粒。这些金刚石的NV色心浓度接近以往报道数值的4倍,并且颗粒同样微小。Baranov及其同事指出,尽管现有理论模型尚无法解释如此高浓度的NV色心的成因,他们选择的合成温度可能是上述结果的关键因素。

这一方法新颖高效,无需采用昂贵的设备或原料,有望拓展含NV色心的金刚石在技术领域的应用空间。

P. Baranov et al., Small ; DOI: 10.1002/smll.201001887