哈工大：攻克金剛石NV中心輻照缺陷調(diào)控關(guān)鍵難題

隨著深空探測、核能裝備、量子傳感技術(shù)的高速迭代，金剛石憑借優(yōu)異的極端環(huán)境適配性，已然成為極端工況下電子器件的核心候選功能材料。其中，依托金剛石氮空位（NV）中心研發(fā)的量子磁力計，已成功實現(xiàn)在軌應(yīng)用，在航天工程、精密量子測量等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的產(chǎn)業(yè)化與工程化潛力。

在金剛石NV中心制備工藝中，離子輻照是引入空位缺陷、提升NV中心數(shù)量的核心技術(shù)手段。但行業(yè)內(nèi)長期存在關(guān)鍵技術(shù)矛盾：離子輻照雖能高效催生NV中心，但其誘發(fā)的各類晶體缺陷是否會損傷金剛石基體本征性能，始終是金剛石缺陷工程領(lǐng)域亟待厘清的核心問題。

針對這一痛點，哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦團隊開展系統(tǒng)性專項研究，相關(guān)研究成果以《Effects of 300 MeV Kr-ion irradiation on defect evolution, photoelectric response, and NV center spin properties in diamond》為題，正式發(fā)表于《Diamond & Related Materials》期刊。

研究以高溫高壓（HPHT）單晶金剛石為實驗基材，采用300 MeV高能氪（Kr）重離子開展輻照處理，結(jié)合熱退火工藝、拉曼光譜、X射線衍射、光電性能測試及分子動力學(xué)模擬等多維度表征與仿真手段，系統(tǒng)闡明了高能重離子輻照下金剛石缺陷的演化規(guī)律，精準(zhǔn)揭示了輻照缺陷對材料光電響應(yīng)特性、NV中心自旋性能的作用機制。

實驗表征結(jié)果表明，300 MeV氪離子輻照不會造成金剛石基體出現(xiàn)明顯石墨化、非晶化現(xiàn)象，材料宏觀晶格結(jié)構(gòu)可保持完整穩(wěn)定。但電學(xué)性能測試數(shù)據(jù)顯示，輻照后金剛石的光電流與暗電流均出現(xiàn)顯著衰減。這一現(xiàn)象證實，即便材料宏觀晶體結(jié)構(gòu)未被破壞，輻照生成的空位、間隙原子及深能級缺陷，會顯著干擾載流子輸運過程，加劇載流子的陷獲與復(fù)合效應(yīng)，最終導(dǎo)致金剛石光電響應(yīng)性能弱化。

為探明缺陷的生成與演化機理，研究團隊通過分子動力學(xué)模擬還原了完整微觀過程：高能氪離子入射金剛石后會觸發(fā)劇烈的原子碰撞級聯(lián)效應(yīng)，在極短時間內(nèi)生成海量空位與間隙原子；后續(xù)熱峰響應(yīng)與晶格弛豫過程中，部分缺陷會自發(fā)復(fù)合消亡，剩余的殘余空位、小尺寸缺陷團簇則穩(wěn)定留存于晶體內(nèi)部。這些殘留缺陷既精準(zhǔn)解釋了載流子輸運性能下降的實驗現(xiàn)象，也為后續(xù)熱退火工藝中NV中心的生成提供了核心空位源。

團隊進一步對比分析了退火處理后不同輻照方式下NV中心的性能差異。結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)電子輻照樣品，氪重離子輻照制備的NV中心發(fā)光強度更高，證明高能重離子具備更優(yōu)異的空位生成效率，可有效提升NV中心整體產(chǎn)率。但研究同時發(fā)現(xiàn)，重離子輻照樣品的NV?中心自旋相干時間T?明顯縮短。究其原因，輻照殘留的空位團簇、間隙型順磁缺陷以及局部晶格應(yīng)變，會引入額外的磁噪聲，對NV中心的自旋相干狀態(tài)產(chǎn)生干擾，進而劣化金剛石的量子性能。

該研究明確證實，高能重離子輻照是一種高效的NV中心制備技術(shù)路徑，可在保障金剛石晶格結(jié)構(gòu)完整的前提下，構(gòu)筑高密度NV中心。但同時也打破了“NV中心數(shù)量越多，器件性能越優(yōu)”的固有認知，證實輻照殘余缺陷會從載流子輸運、自旋相干兩個維度制約量子器件的綜合性能。

基于研究結(jié)論，團隊指出，未來金剛石量子器件、抗輻照電子器件的核心優(yōu)化方向，是通過精準(zhǔn)調(diào)控輻照劑量、優(yōu)化熱退火工藝、調(diào)控缺陷空間分布，在NV中心密度與自旋量子性能之間實現(xiàn)最優(yōu)平衡。該研究不僅厘清了高能重離子輻照下金剛石缺陷的演化機理與性能影響規(guī)律，也為金剛石缺陷工程優(yōu)化、高性能金剛石量子器件的研發(fā)迭代提供了堅實的實驗依據(jù)與理論支撐。

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(chǎn)生初級撞擊原子（PKAs）和碰撞級聯(lián)，從而形成空位、間隙原子及相關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)與電學(xué)表征。（a）不同處理條件下的拉曼光譜，其中標(biāo)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(jīng)不同輻照處理后的金剛石樣品的XRD圖譜，其中標(biāo)出了金剛石(111)衍射峰。(c) 原始金剛石和經(jīng)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(jīng)Kr離子輻照金剛石的光電流-電壓（I–V）曲線。

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