在深空探測、核能裝備以及量子傳感快速發展的背景下，金剛石正成為極端環境電子器件的重要候選材料。尤其是基于金剛石氮空位（NV）中心構建的量子磁力計，已經具備在軌運行能力，其在航天、精密測量等領域展現出廣闊應用前景。
不過，一個關鍵問題始終存在：為了獲得更多NV中心，通常需要利用離子輻照在金剛石中制造空位缺陷。但這些缺陷在促進NV中心形成的同時，是否也會損害材料本身的性能？這一矛盾，一直是金剛石缺陷工程關注的重點。
近期，哈爾濱工業大學朱家琦團隊研究人員圍繞這一問題開展研究，相關成果以《Effects of 300 MeV Kr-ion irradiation on defect evolution, photoelectric response, and NV center spin properties in diamond》為題，發表于Diamond & Related Materials。
研究以HPHT單晶金剛石為對象，采用300 MeV氪（Kr）重離子輻照，并結合熱退火、拉曼光譜、X射線衍射、光電測試以及分子動力學模擬等多種手段，系統揭示了高能重離子誘導缺陷的演化過程，以及這些缺陷對光電性能和NV中心自旋特性的影響。
研究結果顯示，300 MeV Kr離子輻照并未導致金剛石發生明顯石墨化或非晶化，整體晶格結構依然保持完整。然而，進一步的電學測試發現，材料的光電流和暗電流均有所下降。這意味著，雖然宏觀晶體結構沒有明顯破壞，但輻照過程中形成的空位、間隙原子及深能級缺陷已經影響了載流子的輸運過程，使其更容易被陷獲和復合，從而削弱光電響應。
為了弄清這些缺陷是如何形成并演化的，研究團隊進一步開展分子動力學模擬。結果表明，高能Kr離子進入金剛石后，會形成劇烈的碰撞級聯，短時間內產生大量空位和間隙原子。隨后，在熱峰和弛豫過程中，一部分缺陷發生復合消失，而另一部分殘余空位及小尺寸缺陷團簇則保留下來。這些殘余缺陷既解釋了實驗中載流子輸運能力下降的現象，也為后續熱退火過程中NV中心的形成提供了空位來源。
論文進一步比較了退火后的NV中心性能。結果發現，相比電子輻照樣品，Kr離子輻照后形成的NV中心發光更強，說明高能重離子具有更高的空位產生效率，能夠提升NV中心總體產率。但與此同時，其NV?中心的自旋相干時間T?卻有所縮短。這是因為重離子輻照殘留的空位團簇、間隙相關順磁缺陷以及局部晶格應變，會引入額外磁噪聲，干擾NV中心自旋相干，從而影響量子性能。
研究最終指出，高能重離子輻照是一種高效的NV中心制備策略，能夠在保持金剛石整體晶格完整的同時，實現較高密度的NV中心構筑。然而，高NV產率并不意味著最佳器件性能，殘余缺陷對載流子輸運和自旋相干仍存在制約作用。
因此，如何通過優化輻照劑量、退火工藝以及缺陷空間分布，在NV中心數量與自旋性能之間實現更好的平衡，將成為未來金剛石量子器件和抗輻照器件發展的重要方向。該研究也為高能重離子缺陷工程及金剛石量子器件優化提供了新的實驗依據和理論參考。
圖文導讀
圖1. 不同輻照條件下晶格缺陷生成的示意圖。(a) 高能氪離子（300 MeV）輻照：局部高LET能量沉積產生初級撞擊原子（PKAs）和碰撞級聯，從而形成空位、間隙原子及相關缺陷簇。(b) 低能電子輻照：電子與晶格原子的相互作用較弱且更均勻，主要產生孤立的弗倫克爾缺陷對。
圖2. 原始、電子輻照及300 MeV氪離子輻照金剛石樣品的結構與電學表征。（a）不同處理條件下的拉曼光譜，其中標出了金剛石特征峰的全寬半高（FWHM），插圖為金剛石1332 cm?1處一階拉曼峰附近的放大圖。(b)經不同輻照處理后的金剛石樣品的XRD圖譜，其中標出了金剛石(111)衍射峰。(c) 原始金剛石和經Kr離子輻照金剛石的暗電流-電壓（I–V）曲線。(d) 原始金剛石和經Kr離子輻照金剛石的光電流-電壓（I–V）曲線。
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