申請號: 201280021291.1

　　申請人: 六號元素有限公司

　　摘要：一種合成單晶金剛石材料，其包含：合成單晶金剛石材料的第一區域，其包含多個電子施主缺陷；合成單晶金剛石材料的第二區域，其包含多個量子自旋缺陷；和合成單晶金剛石材料的第三區域，其設置在所述第一區域和第二區域之間使得第一區域和第二區域被該第三區域間隔開，其中合成單晶金剛石材料的第二區域和第三區域的電子施主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區域，并且其中所述第一區域和第二區域間隔開的距離為10nm至100μm，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區域供給到合成單晶金剛石材料的第二區域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區域中形成帶正電荷的缺陷，同時該距離是足夠遠離的以便減少第一區域和第二區域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和／或產生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。

　　主權利要求：1.一種合成單晶金剛石材料，該合成單晶金剛石材料包含：合成單晶金剛石材料的第一區域，其包含多個電子施主缺陷；合成單晶金剛石材料的第二區域，其包含多個量子自旋缺陷；和合成單晶金剛石材料的第三區域，其設置在所述第一區域和第二區域之間使得第一區域和第二區域被該第三區域間隔開，其中，合成單晶金剛石材料的第二區域和第三區域的電子旋主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區域，并且其中，所述第一區域和第二區域間隔開的距離為10nm至100μm，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區域拱給到合成單晶金剛石材料的第二區域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區域中形成帶負電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區域中形成帶正電荷的缺陷，同時該距離是足夠遠離的以便減少第一區域和第二區域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過度地降低合成單晶金剛石材料的第二區域中所述多個量子自旋缺陷的消相干時間和／或產生所述多個量子自旋缺陷的光譜線寬度的應變展寬。

　　2.根據權利要求1所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區域具有比第二 區域更低的量子自旋缺陷濃度。

　　3.根據權利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區域、 第二區域和第三區域是層的形式。

　　4.根據權利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區域、 第二區域和第三區域被設置在單一層內。

　　5.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域內的 電子施主缺陷濃度朝向第二區域降低。

　　6.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中由第一區域的 鄰近第二區域的部分形成所述第三區域。

　　7.根據前述權利要求1到5中任一項所述的合成單晶金剛石材料，其中第 三區域是由第二區域的一部分形成，所述第二區域和第三區域由受控光學尋址 來界定，由此在使用中，與第一區域隔開10nm至100μm距離的第二區域被光 學尋址。

　　8.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋 缺陷包括下列中的一種或多種：帶負電荷的含硅缺陷；帶負電荷的含鎳缺陷； 帶負電荷的含鉻缺陷；和帶負電荷的含氮缺陷。

　　9.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋 缺陷是帶負電荷的氮-空位缺陷(NV-)。

　　10.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述電子施 主缺陷包括下列中的一種或多種：氮；磷；和硅。

　　11.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域的 厚度等于或大于：10nm；100nm；5μm；50μm；100μm；或500μm。

　　12.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域的 厚度等于或小于：2mm；或1mm。

　　13.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區 域由合成CVD(化學氣相沉積)或合成HPHT(高溫高壓)金剛石材料形成。

　　14.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區 域中的電子施主缺陷的濃度等于或大于：1×1016缺陷／cm3；5×1016缺陷／cm3；1 ×1017缺陷／cm3；5×1017缺陷／cm3；1×1018缺陷／cm3；5×1018缺陷／cm3；1×1019缺陷／cm3；或2×1019缺陷／cm3。

　　15.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域中 的電子施主缺陷濃度等于或小于：1022缺陷／cm3；1021缺陷／cm3；或1020缺陷／cm3。

　　16.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域中 的電子施主缺陷濃度是第二區域中的量子自旋陷濃度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　17.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區域中 的電子施主缺陷濃度是第二區域中的電子施主缺陷濃度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　18.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域中 的量子自旋缺陷的至少30％、40％、50％、60％、70％，80％或90％是帶負電荷的。

　　19.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域的 厚度等于或大于：1nm；5nm；10nm；50nm；100nm；500nm；或1μm。

　　20.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域的 厚度等于或小于：100μm；80μm；60μm；40μm；20μm；或10μm。

　　21.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域中 的量子自旋缺陷濃度等于或大于：1×1011缺陷／cm3；1×1012缺陷／cm3；1×1013缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；1×1015缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；1×1017缺陷／cm3； 1×1018缺陷／cm3。

　　22.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域中 的量子自旋缺陷濃度等于或小于：4×1018缺陷／cm3；2×1018缺陷／cm3；1×1018缺陷／cm3；1×1017缺陷／cm3；或1×1016缺陷／cm3。

　　23.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區域中 的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨要么組合，其濃 度等于或小于：1×1017缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；5×1015缺陷／cm3；1×1015缺陷／cm3；5×1014缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；或5×1013缺陷／cm3。

　　24.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中在垂直于第 二區域主平面的方向上的第二區域的雙折射等于或小于：5×10-5、1×10-5、5 ×10-6、或1×10-6。

　　25.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自 旋缺陷的消相干時間T2等于或大于0.05ms、0.1ms、0.3ms、0.6ms、1ms、 5ms、或15ms，相應的T2*值等于或小于400μs、200μs、150μs、100μs、 75μs、50μs、20μs、或1μs。

　　26.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區域的 厚度等于或大于：50nm；100nm；500nm；1μm；10μm；或20μm。

　　27.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區域的 厚度等于或小于：80μm；60μm；40μm；或30μm。

　　28.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區域具 有一定濃度的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨要么 組合，該濃度等于或小于：1×1017缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；5×1015缺陷／cm3； 1×1015缺陷／cm3；5×1014缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；或5×1013缺陷／cm3。

　　29.根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區域的 量子自旋缺陷濃度等于或小于：1×1014缺陷／cm3；1×1013缺陷／cm3；1×1012缺 陷／cm3；1×1011缺陷／cm3；或1×1010缺陷／cm3。

　　30.一種裝置部件，其包含根據任一前述權利要求所述的合成單晶金剛石 材料。

　　31.根據權利要求30所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面 形成輸出耦合結構，以便增加光的輸出耦合。

　　32.根據權利要求31所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面 中形成輸出耦合結構，由此通過該合成單晶金剛石材料的表面整體形成該輸出 耦合結構。

　　33.根據權利要求31或32所述的裝置部件，其中所述輸出耦合結構包括 下列中一種或多種：凸面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL)；多個表面凹陷或 納米結構；衍射光柵；菲涅爾透鏡；和涂層，例如抗反射涂層。

　　34.一種裝置，其包含： 根據權利要求30-33任一項所述的裝置部件；和 光源，該光源用于光學泵浦所述合成單晶金剛石材料中的一個或多個量子 自旋缺陷。

　　35.根據權利要求34所述的裝置，還包括： 檢測器，用以檢測來自合成單晶金剛石材料中的一個或多個衰變的量子自 旋缺陷的發射。

　　36.根據權利要求34或35所述的裝置，還包括： 微波發生器，該微波發生器用于操縱所述合成單晶金剛石材料中的一個或 多個量子自旋缺陷。

　　37.根據權利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是磁力計，所述微波發 生器被配置為掃描用來操縱所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷中 一個或多個的微波頻率范圍。

　　38.根據權利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是自旋共振裝置，所述 微波發生器被配置為掃描用來操縱所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋 缺陷中一個或多個的微波頻率范圍，該自旋共振裝置還包括射頻或微波頻率發 生器，其被配置為掃描用來操縱設置在所述合成單晶金剛石材料鄰近的樣品內 的量子自旋的頻率范圍。

　　39.根據權利要求38所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是微流體裝置， 該微流體裝置包括用于接收流體樣品的微流體通道，所述單晶合成CVD金剛石 材料位于該微流體通道的鄰近。

　　40.根據權利要求38或39所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是自旋共振 成像裝置，所述檢測器被配置用來在空間上解析來自所述合成單晶金剛石材料 中的所述量子自旋缺陷的發射，從而形成自旋共振圖像。

　　41.根據權利要求34所述的裝置，其中該裝置是量子信息處理裝置。

　　42.根據權利要求35、36和41所述的裝置，所述微波發生器被配置用以選 擇性地操縱所述單晶合成金剛石材料中的所述量子自旋缺陷，以便寫入信息到 所述量子自旋缺陷，所述檢測器被配置用以選擇性地尋址一個或多個所述量子 自旋缺陷，以便從所述量子自旋缺陷讀取信息。

　　43.制造根據權利要求1到29中任一項所述的合成單晶金剛石材料的方 法，其中通過下列中的一種或多種來界定所述第一區域、第二區域和第三區域： 不同的金剛石合成條件；合成后缺陷注入；合成后照射；合成后退火；和受控 的光尋址。