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Ergebnisse

Graphitisierung

Abb. 2: Graphitisierung von Nanodiamanten.

Erste Simulationen mit dem ITAP Molekulardynamik (IMD) Programm von sphärischen Nanodiamanten haben gezeigt, dass sich Graphitisierung  mit dem Tersoff-Potenzial numerisch abbilden lässt und in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten ist. Es konnten Zusammenhänge zwischen Graphitisierungsgeschwindigkeit und der Temperatur sowie zwischen Graphitisierungsgrad und der Größe der simulierten Nanodiamanten gezeigt werden.

In Abbildung 2 sind Schnappschüsse vom Ende der jeweiligen Simulationen an Nanodiamanten mit unterschiedlichen Durchmessern gezeigt. Ganz links betrug die Simulationstemperatur 300K, in der Mitte 1500K und ganz rechts 2500K. Die Simulationsdauer betrug 10 ns. Bei 1500K sind bereits erste Anzeichen von Graphitisierung an der Oberfläche zu erkennen, bei 2500K sind die Strukturen zum größten Teil in sogenannte carbon-onions umgewandelt worden.

Implantation

In einem ersten Versuch wurden an Niederenergetischen Implantationen (<1keV) die Gültigkeit und die Anwendbarkeit von IMD Simulationen für Stickstoffimplantationen in Diamant untersucht und bestätigt. Für die Atomwechselwirkung wurde auf eine Kombination von Tersoff- und Ziegler-Biersack-Littmark-Potenzial zurückgegriffen. Die Analysen zeigten starke Abhängigkeiten von Kristallorientierung und Diamanttemperatur. Diese führen zu deutlichen Unterschieden in der Stickstofftiefenverteilung, der Leerstellenproduktion bzw. -verteilung und in der Implantationseffizienz.

In Anlehnung an experimentell durchgeführte Implantationen zur oberflächennahen NV-Zentren-Produktion, wurden 4keV Implantationen mit IMD simuliert und mittels eigens entwickelter Analyseprogramme untersucht. So konnte beispielsweise der Effekt der Kanalisierung (Channeling) bei Implantationen in die (100) Ebene beobachtet werden (siehe Abbildung 3, 4 und 5). Durch Änderung der Implantationsrichtung um 7° ließ sich dieser Effekt unterdrücken, was experimentellen Beobachtungen entspricht. Darüber hinaus wurden Unterschiede im Implantationsprozess bei Verwendung unterschiedlicher Projektile (N und N2) ermittelt. Untersuchte Parameter waren hier unter anderem die Anzahl und die Verteilung der erzeugten Leerstellen sowie der Stickstoff-Stickstoff-Abstand.

Abbildung 5 zeigt Stickstofftiefenverteilungen nach 4keV Implantationen mittels IMD. 2 Maxima sind zu erkennen: Stickstoffe mit geringer Eindringtiefe sind „nicht kanalisiert“ im Gegensatz zu „kanalisierten“ Stickstoffen, die tiefer in der Struktur zum Stehen kommen.

Abb. 3: Trajektorien zweier simulierter Implantationen von Stickstoff in Diamant. Rot: Stickstoffatom im „Nicht-kanalissiertem-Fall“. Blau: Stickstoffatom im kanalisiertem-Fall.

Abb. 4: Aufsicht auf die Implantationen aus Abbildung 3.

Abb. 5: Stickstofftiefenverteilung nach 4keV Implantation und einem Implantationswinkel von 0°; Rot: MD Simulation. Die schwarze und blaue Kurve beschreiben Gauss-Fitfunktionen der MD-Daten, die zusammengenommen die grüne Kurve bilden.
Wärmebehandlung

Grundvoraussetzung zur Bildung von optisch nutzbaren NV-Zentren ist die strukturelle Anordnung. Dabei substituiert ein Stickstoff- ein Kohlenstoffatom während eine benachbarte Gitterposition unbesetzt bleibt. Nach dem Implantationsprozess sind in der Regel Fehlstelle und Stickstoff keine nächsten Nachbarn. Experimentell werden Diamanten für mehrere Stunden auf Temperaturen von 900-1100K aufgeheizt (Annealing). Hierbei werden Fehlstellen mobil und können sich neben Stickstoffen platzieren. Diese Konfiguration ist thermisch stabil. Vorangegangene experimentelle Untersuchungen zeigen für Implantationen mit geringer Einschussenergie (<10keV) sehr geringe NV-Ausbeuten nach dem Ausheizvorgang (0.01-0.1%).

Der Fokus unserer Untersuchungen war auf die Dynamik von Defekten während des Ausheizens gerichtet. Hierfür wurde ein selbstgeschriebenes Monte-Carlo (MC) Programm verwendet. Die Simulationen beinhalten die wichtigsten Prozesse, die zu einer Abnahme der NV-Ausbeute führen. Neben Fehlstellen, die zur Oberfläche wandern und verloren sind, werden Rekombination von Fehlstellen mit Zwischengitteratomen, stabile Defekte mit einem Stickstoffatom, Clusterbildung von Fehlstellen sowie ein Plätzetausch von Stickstoffatomen, die substitutionell auf einem Atomgitterplatz sitzen, mit Kohlenstoffatomen, die sich auf einem Zwischengitterplatz befinden, berücksichtigt. Im MC-Programm werden Defekte, gemäß zuvor berechneter Aktivierungsenergien Ea,  im Diamantgitter verschoben. Abbildung 6 zeigt Ergebnisse des Ausheizvorgangs nach 2h Simulationszeit.

Die eingebetteten Graphiken zeigen links die zeitliche Entwicklung der Stickstoffe,  die auf Gitteratomplätzen sitzen und nach 2h für die NV-Bildung zur Verfügung stehen; rechts zu sehen ist die Anzahl der verfügbaren Fehlstellen in Abhängigkeit von der Simulationszeit. Des Weiteren beschreibt die linke Hauptgraphik die wichtigsten Prozesse für verschiedene Implantationsenergien, die nach 2h zu einer Minderung der NV-Ausbeute führen. Die rechte Abbildung zeigt Endresultate der NV-Ausbeuten in Abhängigkeit von der Implantationsenergie. Die Simulationen zeigen für Einschussenergien zwischen 4-50keV eine nahezu konstante NV-Ausbeute von 25%. Unsere Simulationsergebnisse widersprechen vorangegangenen experimentellen Publikationen. Dies ist auf starke Schädigung der Oberfläche zurückzuführen, die während des Ausheizvorgangs nicht ausheilt.

Abb. 6: (a) Anzahl der Stickstoffe bzw. der Fehlstellen in Abhängigkeit der Implantationsenergie, die nach 2h während des Ausheizens verloren gehen. Linke innere Graphik: Zeitliche Entwicklung der Anzahl der Stickstoffe auf einem Gitterplatz für eine Implantationsenergie von 50keV. Rechte innere Graphik: Zeitliche Entwicklung der Anzahl der Fehlstellen, die zur NV-Bildung zur Verfügung stehen für eine Implantationsenergie von 50keV.

 

(b) NV-Ausbeute in Abhängigkeit von der Implantationsenergie.

 

Optische Untersuchungen

Für einen Großteil der Anwendungen, die auf dem NV-Zentrum basieren, ist es notwendig, den Ladungszustand des Systems kontrollieren zu können. Mit Hilfe von ab-initio Berechnungen konnten wir einen Mechanismus aufzeigen, der negative NV-Zentren (NV-) in neutrale (NV0) umwandelt und vice versa (siehe Abbildung 7).

 

Abb. 7: Schematischer Ablauf der Ladungsumwandlung von NV- zu NV0 (a) und vice versa (b).

 

Die Photoionisation des NV- findet in zwei Schritten statt. Sie beinhalten eine Zweiphotonenabsorption mit einem anschließenden Augerprozess.

Ein weiterer Defekt im Diamantgitter, der strukturell dem NV-Zentrum ähnelt, rückt dank seiner optische Eigenschaften mehr und mehr in den Fokus der Wissenschaft: Das negativ geladene Silizium-Fehlstellenzentrum (SiV-Zentrum). Dieses Farbzentrum zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es optisch stabile Eigenschaften für Diamantendurchmesser von ~2nm zeigt. Im Gegensatz dazu wurden experimentell optisch stabile NV-Zentren in Diamant erst ab einer Systemgröße von 8nm gefunden. Im Zuge dessen führten wir Untersuchungen an Wasserstoff passivierten Diamanten mit eingebauten SiV durch. Unser Hauptaugenmerk galt der Zero-Phonon-Line (ZPL), die die Emissionsenergie aus dem angeregten System beschreibt. Eine Anregung erfolgt zuvor aus dem besetzten eu-Spindown Niveau in das nicht besetzte eg-Spindown Niveau (siehe Abbildung 8). Unsere Ergebnisse zeigen einen eindeutigen Quantum Confinement-Effekt des Anregungsspektrums. Dieser Effekt verschiebt die Valenzbandkante. Im Bulkdiamanten liegt eu im Valenzband, wohingegen mit kleiner werdender Diamantengröße es sich energetisch in die Bandlücke bewegt. Dies führt dazu, dass die Austausch- und Korrelationswechselwirkung mit anderen Elektronen reduziert wird. Als Folge spalten Elektronenzustände in der Bandlücke energetisch auf.

Abb. 8: Energieleveldiagramm des SiV-Defektes in Abhängigkeit von der Systemgröße.