КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-72-10293

НазваниеСпектроскопическое исследование функциональных центров окраски в алмазах

РуководительБолдырев Кирилл Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словацентры окраски в алмазах; GeV; SiV; NV; редкоземельные элементы; наноалмазы; HPHT; CVD; спектроскопия высокого разрешения; спектроскопия одиночных центров; люминесценция; материалы для устройств квантовой информатики

Код ГРНТИ29.31.23

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Уже много десятилетий человечество исследует свойства алмаза, и не только в связи с его ювелирной ценностью. Такого пристального внимания этот материал удостоился в связи с его уникальными характеристиками – большой прочностью, твердостью, теплопроводностью, прозрачностью в широком диапазоне спектра – от радиочастотного до вакуумного ультрафиолета, высоким коэффициентом преломления. В течение последнего десятилетия центры окраски в алмазе стали объектом изучения в контексте их возможного использования в качестве люминесцентных маркеров в биологии, частиц для фототерапии рака, для измерения слабых магнитных и электрических полей с высоким пространственным разрешением, точечных датчиков температуры и малых деформаций, и, самое главное, как трехуровневых Λ-систем и эмиттеров одиночных фотонов для квантовой обработки информации и связи. В частности, была показана возможность использования центров типа азот-вакансия (NV), кремний-вакансия (SiV), центров, связанных с Cr и Ni (NE8), как эмиттеров одиночных фотонов, см., например, обзор [1]. Поиск и изучение новых люминесцентных центров окраски в алмазе имеет большое значение не только для расширения спектрального диапазона излучателей одиночных фотонов, но также для понимания взаимосвязи между структурой, схемой уровней энергии и люминесцентными свойствами этих центров. До настоящего момента остается много нерешенных принципиальных научных вопросов, связанных с исследуемыми объектами. Так, для центров типа азот-вакансия (NV) все еще не решены вопросы повышения концентрации центров в заданном объеме, получения и исследования единичных фотостабильных центров, получения надежных данных о связи структура-свойства и др. Для центров типа кремний-вакансия (SiV) до сих пор обсуждаются природа тонкой структуры в спектре, вопросы по изотопическому эффекту, как по кремнию, так и по углероду, величина и знак барического сдвига, проблема низкого квантового выхода люминесценции, изучение свойств и получение люминесценции нейтрально заряженных центров SiV0, которые по своим параметрам могли бы быть перспективны для систем квантовой обработки информации. Данный проект, в частности, будет направлен на решение описанных выше задач. Недавние сообщения о получении новых центров люминесценции в алмазе методами химического осаждения (CVD) и синтеза при высоких температурах и высоких давлениях (HPHT) на основе примесей германия [2,3] и редких земель [4,5] открывают уникальные перспективы прямого синтеза кристаллов алмаза с единичными центрами люминесценции, благодаря низкой равновесной концентрации примеси. Примечательно, что в отличии от примеси азота и кремния, структурные примеси германия и редких земель в природных алмазах не обнаружены. Создание редкоземельных (РЗ) центров в алмазе является наиболее интересным с точки зрения практических применений, в связи с большим разнообразием оптических свойств РЗ элементов, применяемых практически во всех сферах науки, техники и производства. Исследования будут проводиться на материалах, впервые полученных при помощи разрабатываемых уникальных методик синтеза (применение новых газовых смесей, метода лазерного испарения элементов легирующей примеси в технологии MCVD, специальных режимов работы в методе синтеза HPHT). Проводимые исследования будут идти в одном русле с технологиями получения таких легированных алмазов, а именно, полученные в проекте данные будут давать информацию для технологов, что в итоге позволит получать необходимые качественные материалы с заданными свойствами. Следует отметить, что Автор проекта имеет необходимые связи с технологами и большой опыт проведения спектроскопических исследований различных материалов, в том числе, алмазов с NV, SiV, GeV центрами [3, 6, 7]. В частности, ему принадлежат инициатива проведения исследований новых GeV центров с использованием изотопов германия и осуществление спектроскопической части этих исследований [3]. В результате этой работы было впервые неопровержимо доказано, что сильная люминесценция обусловлена центрами германия, встроенными в решетку алмаза (а не находящимися на поверхности или в другой фазе). [1] I. Aharonovich, et al. “Diamond-based single-photon emitters.” Reports on progress in Physics 74(7), 076501 (2011). [2] T. Iwasaki, T. et al. “Germanium-Vacancy Single Colour Centers in Diamond.” Scientific Report 5, 12882 (2015). [3] E.A. Ekimov, S.G. Lyapin, K.N. Boldyrev et al. “Germanium – vacancy color center in isotopically enriched diamonds synthesized at high pressures.” Письма в ЖЭТФ 102, № 11, 811 (2015). [4] V.S. Sedov, S.V. Kuznetsov, V.G. Ralchenko et al. “Diamond-EuF3 nanocomposites with bright orange photoluminescence.” Diamond and Related Materials 72, 47 (2017). [5] E.A. Ekimov et al. “Synthesis of diamond in double carbon-rare earth element systems.” Materials Letters 193, 130 (2017). [6] В. А. Давыдов, А. В. Рахманина, С. Г. Ляпин, И. Д. Ильичев, К. Н. Болдырев, А. А. Ширяев, В. Н. Агафонов. “Получение нано- и микроразмерных алмазов с Si–V и N–V люминесцентными центрами при высоких давлениях в системах на основе смесей углеводородных и фторуглеродных соединений.” Письма в ЖЭТФ 99, №10, 673 (2014). [7] V.S. Sedov, K.N. Boldyrev,V.S. Krivobok, S.N. Nikolaev, A.P. Bolshakov, A.V. Khomich, A.A. Khomich, A.V. Krasilnikov, V.G. Ralchenko. “SiV color centers in Si-doped isotopically enriched CVD diamonds 12C and 13C.” Phys. stat. solidi (a) – submitted (2017).

Ожидаемые результаты
Конкретные ожидаемые результаты, их значимость для мировой науки и техники, а также промышленности и ВПК России: - Будут получены данные о форме бесфононной линии и фононного крыла в люминесценции NV-центров в высококонцентрированных по NV объемных и наноалмазах, в широком диапазоне температур. Будут изучены изотопические эффекты по углероду для NV-центров, а также получены сведения о свойствах одиночных центров NV. Данная информация имеет важное значение для применения алмазов с NV центрами в биологии, медицине, квантовой информатике и ВПК России (в частности, создание защищенных от взлома каналов связи на основе квантовой коммуникации). - Будут выявлены физико-химические закономерности синтеза алмазов с кремниевыми оптическими центрами, полученных при помощи различных методик, в том числе с различным изотопическим составом, как по кремнию, так и по углероду. Эти данные позволят улучшить методику синтеза, получать новые качественные материалы с заданными свойствами. Будут получены температурные зависимости спектров люминесценции, спектров возбуждения люминесценции и спектров поглощения высокого разрешения алмазов с SiV(-) центрами. Будет найдена и исследована в люминесценции структура нейтрально-заряженного оптического центра SiV(0), перспективного для создания оптической квантовой памяти. - Впервые будут получены различными методиками (CVD, HPHT) и исследованы с помощью оптической спектроскопии образцы алмазов, легированных германием, со значительным содержанием оптических центров германий-вакансия (GeV). Это позволит выявить сильные стороны указанного центра, позволит найти поглощение в этих центрах, ранее не обнаруженное, даст информацию о возможных применениях. Однако уже на данном этапе можно сказать, что возможности применения алмаза с германием огромны – от биомаркеров и флюоресцирующих меток до высокоэффективных источников одиночных фотонов для квантовой криптографии и трехуровневых Λ-систем для квантовой памяти. - Впервые будут получены и изучены алмазы, активированные различными редкоземельными элементами. Будет получена информация о свойствах таких систем с применением широкодиапазонной низкотемпературной оптической спектроскопии высокого разрешения, в том числе при различных внешних условиях – критически низких температурах, сильных магнитных и электрических полях и др. Значение исследуемых материалов трудно переоценить: соединение лучшей по физико-химическим и прикладным свойствам матрицы алмаза (теплопроводность, твердость, химическая стойкость, термическая стабильность) с уникальными свойствами редких земель открывает невероятные перспективы применения таких материалов в самых разных областях науки, техники, медицины, промышленности, ВПК и др.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---