研究背景

       金剛石中的氮-空位（NV）色心是一種帶負電的點缺陷結構，因其在室溫下具有毫秒級的長相干時間，易通過激光進行初始化及讀取的優點，成為了優異的固態自旋體系，尤其是在量子磁傳感領域展現出了巨大應用前景。NV色心量子磁傳感器具有單核自旋靈敏度及亞納米尺度空間分辨率的優點，可應用于生物、物理及化學等領域的磁場精密測量。

       為了使得NV色心量子傳感器保持高靈敏度及高分辨率，NV色心需要制備在接近于表面處，然而，金剛石表面終端結構對近表面NV色心可能有三種負面影響。第一，常見金剛石氫終端等表面因其具有負電子親和能，易導致近表面NV色心無法保持其負電荷態，進而使得NV色心失效；第二，例如常見的氧終端金剛石面因其表面能帶的禁帶中間雜質能級較多，易于引起NV色心熒光閃爍現象；第三，金剛石表面可能存在的磁噪聲對NV色心磁探測會產生干擾。因此，設計出無上述三種負面影響的金剛石終端結構，對保證近表面NV色心的穩定性尤為重要。

       文章簡介

       武漢大學工業科學研究院劉勝教授課題組在碳材料國際期刊Carbon上發表題為“Fluorine-terminated diamond (110) surfaces for nitrogen-vacancy quantum sensors”的研究工作。該項工作通過GPU加速平面波密度泛函軟件PWmat系統提出了面向NV色心的氟終端金剛石（110）面，研究了表面終端結構對NV色心影響。

       該項工作的計算模型及參數如下所示：

       (1)PWmat計算模型：金剛石(110)面模型，碳原子層18層，真空層厚度16埃米，1 × 2 超胞。

       (2)PWmat計算參數：截斷能：70Ry；K點密度：8 × 6 × 1；泛函：PBE及HSE06

       (3)PWmat計算內容：結構優化、自洽、DOS、能帶、電荷密度、第一性原理分子動力學、不同溫度及壓力下的形成焓、基于弗蘭克-康登原理的電子躍遷等。

       該項工作計算了氟終端，氫終端，氮終端以及氧終端金剛石（110）面的能帶圖及DOS圖（圖1、2、3）。研究發現，氟終端金剛石（110）面理論上滿足正電子親和能、無禁帶雜質能級、無表面磁性噪聲等優勢，適用于近表面NV色心量子傳感器。另外，通過計算第一性原理分子動力學（圖4）、不同溫度及壓力下的形成焓（圖5），確認了氟終端表面的熱穩定性及可制備性。另外，通過計算近表面的NV色心電子躍遷（圖6及S8），確認了NV色心在深度1nm左右時，氟終端不會對NV色心熒光效應產生影響。值得一提的是，使用PBE泛函會低估金剛石禁帶寬度（Ebandgap（PBE）≈4.2eV，Ebandgap（實驗值）≈5.47eV）, 使用HSE06泛函可以較好吻合實驗值（Ebandgap（HSE06）≈5.5eV），因此使用HSE06泛函可保證了該項工作的計算精度；而通過PWmat系統使用HSE06泛函，計算速度很快，保證了該項工作的效率。

圖1. (a)氟終端，(b)氫終端，(c)氮終端以及(d)氧終端金剛石（110）面結構的側視圖及俯視圖。黑色虛線代表了1 × 2超胞。氟、氫、氮、及氧元素分別用綠色、白色、橙色及紅色球體代表。表面第一層碳原子及第二層碳原子分別用紫色及灰色的原子。

圖2. 氟終端（110）面的（a）PDOS圖及（b）能帶圖。虛線表示費米能級位置。價帶頂的能量設置為0。

圖 3. （a）氫終端、（b）氮終端及（c）氧終端金剛石（110）面的PDOS圖、能帶圖及電荷密度圖。

圖4. 氟終端金剛石（110）面在500K溫度下的AIMD仿真。

圖5. 氟終端金剛石（110）面的在不同壓力及溫度下的形成焓。

圖6. (a)氟終端金剛石（110）面。（b）NV色心的電子自旋密度圖及N施主。（c）NV色心缺陷能級圖. 上述計算使用的是HSE06泛函。

圖S8. 基于弗蘭克-康登原理的電子躍遷圖，表示了NV色心的激發及熒光過程。其中ZPL代表了零聲子線。

       文章信息

       第一作者：沈威#，副研究員；吳改#，副研究員

       通訊作者：劉勝*，教授；申勝男*，副教授

       其他作者：李輝 教授，李立杰 教授（英國斯旺西大學工程學院），鄒迪瑋

       單位：武大大學工業科學研究院；英國斯旺西大學工程學院；武大大學深圳研究院；武漢大學動力與機械學院

       Wei Shen#, Gai Wu#, Lijie Li, Hui Li, Sheng Liu*, Shengnan Shen*, Diwei Zou. Fluorine-terminated diamond (110) surfaces for nitrogen-vacancy quantum sensors. Carbon, 2022, 193:17-25.

       文章鏈接：

       https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.02.017