Growth of ultraclean, isotopically controlled diamond films and nanoparticles with well defined single defects and atomically smooth surfaces

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anke Krüger; Professor Dr.-Ing. Christoph E. Nebel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 164674487

In den Forschungsarbeiten wird beabsichtigt, ultra-reine bzw.anwendungsspezifisch-dotierte einkristalline Diamantschichten, pin-Diamantdioden und Nanodiamantkristalle mittels Mikrowellenplasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (MWCVD) für Anwendungen in der Quantenoptik zu entwickeln und zu untersuchen. Mit der Zielsetzung der elektrisch stimulierten Einzelphotonenemission sollen Stickstoffvakanz- (NV) und Si-Vakanz (SiV) Zentren in den intrinsischen Bereich von pin-Diodenstrukturen eingebaut bzw. implantiert werden. Um die Lichtausbeute zu erhöhen, werden diese Zentren in optische Wellenleiterstrukturen (Diamantpfosten) mit einem typischen Durchmesser von ca. 200 nm eingebaut. Diese Strukturen werden mittels E-beam-Lithografie und ICP Plasma-Ätzen erzeugt. Um die pin-Pfosten elektrisch zu kontaktieren werden diese in eine SU-8-PDMS Matrix eingebettet (Brechungsindex 1.4 gegenüber Diamant mit 2.4). Auf der anschließend planarisierten n-Seite werden Graphen oder Indium-Zinnoxid (ITO) als transparente und leitfähige elektrische Kontakte aufgebracht, um einzelne Diamantpfosten zu adressieren. Die p-artig dotierte Seite der Diamant-Diode wird mittels RIE gedünnt und verspiegelt, um die Lichtemission gerichtet zu verstärken. Da in vielen Fällen die NV Zentren Oberflächen-nahe implantiert werden, soll das Oberflächen-Fermi-Niveau fixiert werden, um den Ladungszustand des NV Zentrums zu erhalten. Dies soll durch Abscheidung von a) Stickstoff- und b) Phosphor-dotierten Diamantschichten mit wenigen Nanometern Dicke erreicht werden. Der neuartige MWCVD-Reaktor bietet die Möglichkeit, Proben während der Epitaxie aus dem Plasma herauszufahren, womit abrupte, atomare Schichtübergänge ("Deltadotierung") durch vollständigen Austausch der Prozessgase realisiert werden können. Der neue Reaktor soll auch zur Abscheidung ultra-reiner Diamantschichten genutzt werden. Um die Diamant-Oberfläche defektfrei zu realisieren, ist die Untersuchung neuartiger Terminierungen mit z.B. Fluor geplant.Alternativ zur Ionenimplantation soll mit Hilfe der Gasphasendotierung das Verhalten von Seltenen Erden in Diamant untersucht werden. Ziel ist, Alternativen zum NV-Zentrum zu finden, um Einzelphotonenemitter im IR-Bereich (> 1200 nm) zu realisieren. So ist geplant, Seltenerd-Atome mittels Gasphasendotierung unter Nutzung von metallorganischen Lanthanoid Verbindungen wie z.B. Tris Isopropyl Cyclopentadienyl Erbium in die Diamantstruktur einzubringen. SiV-Zentren sind im Gegensatz zu NV sehr schmalbandige Emitter. Diese sollen im Rahmendieses Projektes mittels des MWCVD Verfahrens in Diamant-Nanopartikel eingebaut werden, um sie dann in photonischen Strukturen einzusetzen. Im Verlauf des Projekts sollen Diamant-Nanopartikel aus ultra-reinem Diamant durch mechanische Verfahren erzeugt und deren geometrische Eigenschaften durch Plasmaätzen gezielt optimiert werden. Ziel ist scharfe Kanten zu entfernen und Partikel zwischen 10 und 50 nm herzustellen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1493: Diamond Materials for Quantum Application
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Oliver Ambacher; Dr. Marco Wolfer