Teilprojekt B.6

Kohlenstoffe bilden stabile Strukturen als Graphit oder Diamant. Eigenschaften von Diamant sind unter anderem extreme Härte, elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie optische Transparenz. Durch gezielte Verunreinigungen können Defekte erzeugt werden, die besondere (photophysikalische) Eigenschaften aufweisen. Einige Defekte werden für die Realisierung eines Qubits für die Hardware eines Quantencomputers, als Sensor für höchst präzise Messung von Magnetfeldern oder als Biomarker, bei dem einzelne Biomoleküle markiert und somit die zeitliche Entwicklung von biologischen Prozessen in Zellen untersuchbar werden, in Betracht gezogen und eingesetzt. Hierfür ist es entscheidend, möglichst kleine Nanodiamanten (Durchmesser ~nm) mit strukturell und optisch stabilen Defekten, z. B. mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) bzw. Bulk-Diamanten mit oberflächennahen NV-Zentren, die eine Ortsgenauigkeit von (~10nm) besitzen, herzustellen (Abb. 1).

Durch Kombinieren mehrerer Simulationstechniken (Molekulardynamik (MD), Monte Carlo (MC), Dichtefunktionaltheorie (DFT), Configuration Interaction (CI)) ist es möglich, anwendungswichtige, physikalische Abläufe, vom Herstellungsprozess von Defektdiamanten bis hin zu optischen Untersuchungen, zu modellieren. Ablaufende Prozesse können somit auf molekularer Ebene untersucht werden.

Ziel ist es, ein detailliertes Verständnis physikalischer Eigenschaften von Defekten zu erlangen, die in variierendem Abstand zur Oberfläche im Diamant platziert werden. Insbesondere sollen durch verschiedene Oberflächenterminierung optische Eigenschaften der Defekte charakterisiert und manipuliert werden.