近日，我院刘俊、唐军、马宗敏团队在金刚石氮—空位（NV）色心的制备与电荷态调控研究方面取得新进展。相关成果以“Depth-dependent charge-state instability of nitrogen-vacancy centers in ion-implanted diamond”为题，发表于美国物理学会《Physical Review B》期刊。
金刚石NV色心是一种具有优良光学和自旋特性的固态量子体系，在量子传感、微弱磁场测量和纳米尺度成像等领域具有广阔的应用前景。为了提高NV色心对金刚石表面外部信号的探测能力，通常需要将其制备在距离表面几十纳米的浅层区域。然而，随着NV色心逐渐接近金刚石表面，具有良好量子特性的负电荷态NV⁻往往难以保持稳定，成为制约浅层NV色心性能的重要因素。
针对这一问题，团队采用不同能量的氮离子注入，在金刚石中制备了不同深度的NV色心，并结合空间分辨光致发光光谱、动态二次离子质谱、离子输运模拟和第一性原理计算，对NV色心的形成及其电荷态稳定性进行了系统研究。
研究结果表明，尽管金刚石近表面区域具有较高的氮浓度，但该区域的NV色心发光强度明显弱于较深的浅层区域，负电荷态NV⁻的稳定性也相对较低。这说明氮元素的注入浓度并不是决定NV色心发光和电荷态稳定性的唯一因素，离子注入过程中形成的残余晶格缺陷同样发挥着重要作用。
进一步的理论计算发现，离子注入产生的间隙缺陷会改变NV色心周围的局域电荷分布和电子结构，使NV色心的电荷转变能级发生明显变化，从而增加负电荷态NV⁻的稳定难度。相关结果从微观层面解释了近表面NV色心发光较弱及电荷态不稳定的原因。
该研究揭示了离子注入深度、残余晶格缺陷与NV色心电荷态稳定性之间的关系，表明浅层NV色心的制备不仅需要精确控制氮离子的注入位置，还需要进一步减少注入损伤、提高晶格恢复质量。
该研究成果从理论和实验上澄清了高性能浅层NV色心的制备难题，为固态量子传感器件的研发与应用提供了重要的工艺技术途径和理论指导。
论文链接：//journals.aps.org/prb/accepted/10.1103/z2l9-hs6x
注：Physical Review B（简称：PRB）是凝聚态物理和材料物理领域公认的顶级专业期刊，由美国物理学会（APS）于1970年创办，是该领域的权威期刊，论文引用量排名世界第一。该期刊以严格的同行评审和高学术标准著称，研究范围涵盖了从磁性、超导到半导体、拓扑物质等凝聚态物理的广泛前沿课题。
