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　　申请号: 201280021291.1

　　申请人: 六号元素有限公司

　　摘要：一种合成单晶金刚石材料，其包含：合成单晶金刚石材料的第一区域，其包含多个电子施主缺陷；合成单晶金刚石材料的第二区域，其包含多个量子自旋缺陷；和合成单晶金刚石材料的第三区域，其设置在所述第一区域和第二区域之间使得第一区域和第二区域被该第三区域间隔开，其中合成单晶金刚石材料的第二区域和第三区域的电子施主缺陷浓度低于合成单晶金刚石材料的第一区域，并且其中所述第一区域和第二区域间隔开的距离为10nm至100μm，该距离足够接近从而允许将电子从合成单晶金刚石材料的第一区域供给到合成单晶金刚石材料的第二区域，从而在合成单晶金刚石材料的第二区域中形成带负电荷的量子自旋缺陷并且在合成单晶金刚石材料的第一区域中形成带正电荷的缺陷，同时该距离是足够远离的以便减少第一区域和第二区域之间的其他耦合相互作用，否则这些其他耦合相互作用将过度地降低合成单晶金刚石材料的第二区域中所述多个量子自旋缺陷的消相干时间和／或产生所述多个量子自旋缺陷的光谱线宽度的应变展宽。

　　主权利要求：1.一种合成单晶金刚石材料，该合成单晶金刚石材料包含：合成单晶金刚石材料的第一区域，其包含多个电子施主缺陷；合成单晶金刚石材料的第二区域，其包含多个量子自旋缺陷；和合成单晶金刚石材料的第三区域，其设置在所述第一区域和第二区域之间使得第一区域和第二区域被该第三区域间隔开，其中，合成单晶金刚石材料的第二区域和第三区域的电子旋主缺陷浓度低于合成单晶金刚石材料的第一区域，并且其中，所述第一区域和第二区域间隔开的距离为10nm至100μm，该距离足够接近从而允许将电子从合成单晶金刚石材料的第一区域拱给到合成单晶金刚石材料的第二区域，从而在合成单晶金刚石材料的第二区域中形成带负电荷的量子自旋缺陷并且在合成单晶金刚石材料的第一区域中形成带正电荷的缺陷，同时该距离是足够远离的以便减少第一区域和第二区域之间的其他耦合相互作用，否则这些其他耦合相互作用将过度地降低合成单晶金刚石材料的第二区域中所述多个量子自旋缺陷的消相干时间和／或产生所述多个量子自旋缺陷的光谱线宽度的应变展宽。

　　2.根据权利要求1所述的合成单晶金刚石材料，其中第三区域具有比第二 区域更低的量子自旋缺陷浓度。

　　3.根据权利要求1或2所述的合成单晶金刚石材料，其中所述第一区域、 第二区域和第三区域是层的形式。

　　4.根据权利要求1或2所述的合成单晶金刚石材料，其中所述第一区域、 第二区域和第三区域被设置在单一层内。

　　5.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域内的 电子施主缺陷浓度朝向第二区域降低。

　　6.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中由第一区域的 邻近第二区域的部分形成所述第三区域。

　　7.根据前述权利要求1到5中任一项所述的合成单晶金刚石材料，其中第 三区域是由第二区域的一部分形成，所述第二区域和第三区域由受控光学寻址 来界定，由此在使用中，与第一区域隔开10nm至100μm距离的第二区域被光 学寻址。

　　8.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述量子自旋 缺陷包括下列中的一种或多种：带负电荷的含硅缺陷；带负电荷的含镍缺陷； 带负电荷的含铬缺陷；和带负电荷的含氮缺陷。

　　9.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述量子自旋 缺陷是带负电荷的氮-空位缺陷(NV-)。

　　10.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述电子施 主缺陷包括下列中的一种或多种：氮；磷；和硅。

　　11.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域的 厚度等于或大于：10nm；100nm；5μm；50μm；100μm；或500μm。

　　12.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域的 厚度等于或小于：2mm；或1mm。

　　13.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述第一区 域由合成CVD(化学气相沉积)或合成HPHT(高温高压)金刚石材料形成。

　　14.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述第一区 域中的电子施主缺陷的浓度等于或大于：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.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域中 的电子施主缺陷浓度等于或小于：1022缺陷／cm3；1021缺陷／cm3；或1020缺陷／cm3。

　　16.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域中 的电子施主缺陷浓度是第二区域中的量子自旋陷浓度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　17.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第一区域中 的电子施主缺陷浓度是第二区域中的电子施主缺陷浓度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　18.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域中 的量子自旋缺陷的至少30％、40％、50％、60％、70％，80％或90％是带负电荷的。

　　19.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域的 厚度等于或大于：1nm；5nm；10nm；50nm；100nm；500nm；或1μm。

　　20.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域的 厚度等于或小于：100μm；80μm；60μm；40μm；20μm；或10μm。

　　21.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域中 的量子自旋缺陷浓度等于或大于：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.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域中 的量子自旋缺陷浓度等于或小于：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.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第二区域中 的电子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一种或多种，要么单独要么组合，其浓 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.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中在垂直于第 二区域主平面的方向上的第二区域的双折射等于或小于：5×10-5、1×10-5、5 ×10-6、或1×10-6。

　　25.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中所述量子自 旋缺陷的消相干时间T2等于或大于0.05ms、0.1ms、0.3ms、0.6ms、1ms、 5ms、或15ms，相应的T2*值等于或小于400μs、200μs、150μs、100μs、 75μs、50μs、20μs、或1μs。

　　26.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第三区域的 厚度等于或大于：50nm；100nm；500nm；1μm；10μm；或20μm。

　　27.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第三区域的 厚度等于或小于：80μm；60μm；40μm；或30μm。

　　28.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第三区域具 有一定浓度的电子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一种或多种，要么单独要么 组合，该浓度等于或小于：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.根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石材料，其中第三区域的 量子自旋缺陷浓度等于或小于：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。

　　30.一种装置部件，其包含根据任一前述权利要求所述的合成单晶金刚石 材料。

　　31.根据权利要求30所述的装置部件，其中在合成单晶金刚石材料的表面 形成输出耦合结构，以便增加光的输出耦合。

　　32.根据权利要求31所述的装置部件，其中在合成单晶金刚石材料的表面 中形成输出耦合结构，由此通过该合成单晶金刚石材料的表面整体形成该输出 耦合结构。

　　33.根据权利要求31或32所述的装置部件，其中所述输出耦合结构包括 下列中一种或多种：凸面；微透镜阵列；固体浸没透镜(SIL)；多个表面凹陷或 纳米结构；衍射光栅；菲涅尔透镜；和涂层，例如抗反射涂层。

　　34.一种装置，其包含： 根据权利要求30-33任一项所述的装置部件；和 光源，该光源用于光学泵浦所述合成单晶金刚石材料中的一个或多个量子 自旋缺陷。

　　35.根据权利要求34所述的装置，还包括： 检测器，用以检测来自合成单晶金刚石材料中的一个或多个衰变的量子自 旋缺陷的发射。

　　36.根据权利要求34或35所述的装置，还包括： 微波发生器，该微波发生器用于操纵所述合成单晶金刚石材料中的一个或 多个量子自旋缺陷。

　　37.根据权利要求35和36所述的装置，其中该装置是磁力计，所述微波发 生器被配置为扫描用来操纵所述合成单晶金刚石材料中的所述量子自旋缺陷中 一个或多个的微波频率范围。

　　38.根据权利要求35和36所述的装置，其中该装置是自旋共振装置，所述 微波发生器被配置为扫描用来操纵所述合成单晶金刚石材料中的所述量子自旋 缺陷中一个或多个的微波频率范围，该自旋共振装置还包括射频或微波频率发 生器，其被配置为扫描用来操纵设置在所述合成单晶金刚石材料邻近的样品内 的量子自旋的频率范围。

　　39.根据权利要求38所述的装置，其中所述自旋共振装置是微流体装置， 该微流体装置包括用于接收流体样品的微流体通道，所述单晶合成CVD金刚石 材料位于该微流体通道的邻近。

　　40.根据权利要求38或39所述的装置，其中所述自旋共振装置是自旋共振 成像装置，所述检测器被配置用来在空间上解析来自所述合成单晶金刚石材料 中的所述量子自旋缺陷的发射，从而形成自旋共振图像。

　　41.根据权利要求34所述的装置，其中该装置是量子信息处理装置。

　　42.根据权利要求35、36和41所述的装置，所述微波发生器被配置用以选 择性地操纵所述单晶合成金刚石材料中的所述量子自旋缺陷，以便写入信息到 所述量子自旋缺陷，所述检测器被配置用以选择性地寻址一个或多个所述量子 自旋缺陷，以便从所述量子自旋缺陷读取信息。

　　43.制造根据权利要求1到29中任一项所述的合成单晶金刚石材料的方 法，其中通过下列中的一种或多种来界定所述第一区域、第二区域和第三区域： 不同的金刚石合成条件；合成后缺陷注入；合成后照射；合成后退火；和受控 的光寻址。