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論文

New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

Physica Status Solidi (A), 212(11), p.2641 - 2644, 2015/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:33.5(Materials Science, Multidisciplinary)

Nitrogen-vacancy (NV) center in diamond is a luminescent point defect with applications of quantum computation and atomic scale sensors. One of the most important features of NV center is high emission rate. This enables single NV centers to be detected using a confocal laser scanning microscope. In this study, we propose a new application of NV centers as a single ion track detector. We perform 490 MeV Os ion irradiation to diamond grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. After high temperature annealing at 1000 $$^{circ}$$C, the ion track is able to be visualized by using confocal laser scanning microscope. In short, we have successfully detected ion track in diamonds.

論文

NV centers in diamond used for detection of single ion track

春山 盛善; 小野田 忍; 加田 渉*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 大島 武; 花泉 修*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.184 - 187, 2015/11

We propose that diamond can be utilized as a new Fluorescent Nuclear Track Detector (FNTD) material. For this aim, we focus on Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. One of the most important features of a NV center is a high emission rate, which enable us to observe single NV center. After high energy ion irradiation and subsequent annealing, we successfully observe Os ion tracks in various diamonds containing dense nitrogen impurity. However, Os ion track cannot be observed from diamond without nitrogen impurity. We found that the optimization of nitrogen impurity is a key issue for developing high sensitive FNTD based on diamond.

口頭

高エネルギー重イオン照射により形成されたダイヤモンド中のイオン飛跡の検出

春山 盛善; 小野田 忍; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

no journal, , 

ダイヤモンド中のNV(窒素-空孔)欠陥は、非常高い輝度で発光することが知られている。この特徴を活かして、本研究ではダイヤモンドを蛍光飛跡検出器として応用する可能性を検討するため、ダイヤモンド中の高エネルギー重イオンの飛跡を検出することを試みた。まず、高温高圧法により合成されたダイヤモンドに対してOsイオン(490MeV)を照射し、その後、1000$$^{circ}$$Cでの熱処理を行った。イオン飛跡の観察には自作した共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡を用いた結果、Osイオンの飛跡に沿ってNV欠陥に起因する発光が検出された。照射したOsイオンの数と検出された発光の数が同程度であったことやフォトルミネッセンススペクトルから、NV欠陥を利用したイオン飛跡の検出に成功したと結論できる。

口頭

SiC中の単一発光源となる欠陥の探索

大島 武; 小野田 忍; 牧野 高紘; 岩本 直也*; Johnson, B. C.*; Lohrmann, A.*; Karle, T.*; McCallum, J. C.*; Castelletto, S.*; 梅田 享英*; et al.

no journal, , 

固体中の単一発光源(SPS)の有するスピンや発光を制御することで、量子コンピューティングやフォトニクスを実現しようという試みが行われている。本研究ではSiCを母材としたSPSの探索を行った。半絶縁性(SI)六方晶(4H)SiC基板に室温にて2MeVのエネルギーの電子線照射後、Ar中、30分間の熱処理を行った。室温又は低温におけるフォトルミネッセンス(PL)測定及び室温における共焦点蛍光顕微鏡(CFM)を用いたアンチバンチング測定によりSPSを探索した。1$$times$$10$$^{17}$$/cm$$^{2}$$の電子線照射後に300$$^{circ}$$Cで熱処理を行った試料に対して80KでのPL測定を行ったところ、850$$sim$$950nm付近にSi空孔が起因のVラインと呼ばれるPL発光が、650$$sim$$700nm付近にC$$_{Si}$$V$$_{C}$$起因のABラインと呼ばれる二種類のPL発光が観測された。ABラインの発光を有する欠陥中心に対して、CFMを用いて室温でアンチバンチグ測定を行った結果、C$$_{Si}$$V$$_{C}$$が単一発光源であることが判明した。また、これまでSteedsらによりABラインは中性のC$$_{Si}$$V$$_{C}$$と主張されていたが、ab initio計算から、この波長領域にPL発光を持つためには正に帯電しているC$$_{Si}$$V$$_{C}$$であるという結果を得た。

口頭

Optically detected particle track in high purity diamond

小野田 忍; 春山 盛善; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

no journal, , 

宇宙放射線の計測、中性子線量計、環境アルファ線モニタ等に応用が期待できる蛍光飛跡検出器の新たな材料としてダイヤモンドを提案し、その飛跡検出性能を評価した。実験は、高温高圧法により合成された単結晶ダイヤモンドに、490MeVのOsイオンを照射し、熱処理後に共焦点蛍光顕微鏡にて観察した。その結果、表面から線状の蛍光領域が検出され、モンテカルロシミュレーションにより求めた飛程と良い一致が得られた。これより、ダイヤモンドが蛍光飛跡検出器として利用できることを示すことができた。

口頭

CVD合成ダイヤモンドを用いた高エネルギー重イオン飛跡の検出

春山 盛善; 小野田 忍; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 大島 武; 花泉 修*

no journal, , 

ダイヤモンド中の窒素-原子空孔(Nitrogen Vacancy:NV)センターの持つ高輝度という特徴を活かして、数十nmという超高分解能観察が可能なイオン飛跡検出器を開発を進めている。これまで、高温高圧(High Pressure High Temperature: HPHT)法により合成されたダイヤモンドを用いて実験を行い、HPHTダイヤモンドがイオン飛跡検出器として利用できることを示してきた。しかし、HPHTダイヤモンド中の窒素不純物濃度が部位によって異なるため、高濃度の部位で飛跡が検出されるのに対し、低濃度の部位で飛跡が検出されないという問題があった。本研究では、窒素不純物が均一かつ濃度制御可能な化学気相成長(Chemical Vapor Deposition: CVD)法により合成されたダイヤモンドを使用し、飛跡検出器への応用の可能性を調べた。HPHTダイヤモンドと窒素不純物の状態が異なっていることから、これまでイオン飛跡が検出できていなかったCVDダイヤモンドへの490MeV Osイオンの照射実験の結果、イオン飛跡の検出に成功した。以上のように、本研究を通じてCVDダイヤモンドにおいてもイオン飛跡の検出が可能であることが明らかとなった。

口頭

keVからサブGeVのイオン注入を用いて形成したNVセンターの特性評価

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; Christoph, M.*; McGuinness, L.*; Balasubramanian, P.*; Naydenov, B.*; Jelezko, F.*; 小池 悟大*; et al.

no journal, , 

室温動作可能な量子ビットとして応用可能な良質な窒素・空孔(NV)を実現するためには、$$^{13}$$C、格子位置の不純物窒素、格子欠陥等の余剰なスピンを取り除く必要がある。狙った箇所にNVを形成することが容易なイオン注入は、窒素イオンを効率よくNVに変換可能という利点があるが、一方で余剰な欠陥を残留させない工夫が必要がある。本研究では、原子空孔の挙動を調べる目的で、keVからサブGeVのイオンビームを用いて、異なる濃度・分布の原子空孔を導入し、その後、1000$$^{circ}$$Cの熱処理を施して原子空孔を拡散させてNVを形成した。NVの分布を解析することで打込んだイオンと原子空孔の挙動を考察した結果、生成されたNVは熱拡散せず安定に存在することが判明した。また、NVが安定であることから、NVの分布を調べることでイオンの飛跡が検出できることも見出した。

口頭

ダイヤモンドに入射した高エネルギー重イオンの飛跡検出

佐藤 真一郎; 春山 盛善; 小野田 忍; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 大島 武; 花泉 修*

no journal, , 

ダイヤモンド中のNVセンター(窒素・空孔複合欠陥)はたった1つでも蛍光検出できることや、原理的には数nmという高分解能で観察が可能であることから、従来の固体飛跡検出器よりもイオンの飛跡を精細に可視化することができると考えられる。今回、単結晶ダイヤモンドに高エネルギー重イオンを照射し、照射後に熱処理を施した後、共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡を使用して蛍光強度分布の3次元マッピングを行うことでイオン飛跡を検出することに成功した。また、ダイヤモンド中の不純物窒素濃度と飛跡検出特性の関係について調べ、100ppb以上の窒素がダイヤモンド中に含まれる場合は、イオン飛跡の検出が可能になることを明らかにした。

口頭

NVセンターの形成効率の熱処理温度依存性

春山 盛善; 小野田 忍; 立見 和雅*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 大島 武; 花泉 修*

no journal, , 

ダイヤモンド中のNV(窒素・空孔)センターの高効率発光という特徴を利用してイオン飛跡検出器の開発を進めている。本研究では、熱処理を最適化することによってイオン飛跡の検出効率を向上する試みを行った。熱処理温度を800$$^{circ}$$Cから1200$$^{circ}$$Cとして2時間の熱処理を行った。イオン飛跡の検出効率がどのように変化するかを調べた結果、800$$^{circ}$$Cの場合、1000$$^{circ}$$Cの時よりも感度が低いことが分かった。1200$$^{circ}$$Cの場合も同様に、飛跡を構成するNVセンターの数が減少し、イオン飛跡検出感度が下がることが判明し、最適な熱処理温度が1000$$^{circ}$$C付近にあると結論できた。

口頭

量子ビームを活用したダイヤモンド中のカラーセンター形成技術の現状

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 小池 悟大*; 東又 格*; 稲葉 優文*; 山野 楓*; 加藤 かなみ*; Christoph, M.*; et al.

no journal, , 

炭素を置換した窒素と隣接する原子空孔からなるNV(Nitrogen-Vacancy)センターは、ダイヤモンド中のカラーセンターの中でも優れた電子スピン特性を持っていることで知られている。発表では、我々が取り組んできた量子ビームを用いたカラーセンター形成技術について紹介するとともに、世界的な技術動向と課題を述べる。

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