SAMURAI - NIMS Researchers Database

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研究内容

Keywords

ダイヤモンド, CVD, ェピタキシヤノレ, 高純度, 量子センシング, 半導体

ダイヤモンド結晶成長に関する研究 NVセンタを用いた高感度量子磁気センサの開発

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① 独自のダイヤモンド結晶成長技術の確立
独自の結晶成長装置を開発し、超高純度かつ12C濃縮を施したCVDダイヤモンド結晶を作製した。
② パルスODMR評価システムの構築
ダイヤモンドの量子特性を高精度に評価するため、パルスODMR装置を構築・立ち上げた。
③ 優れた量子特性を持つNVセンタの形成
12C濃縮CVDダイヤモンドの成長時に窒素ガスを添加することで、NVセンタを形成した。窒素ガスの添加量に比例してNVセンタの発光強度が増加することを確認した。さらに、構築したパルスODMR装置による評価において、スピンコヒーレンス時間(T2)が世界トップレベルに達していることを実証した。

出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。

論文
口頭発表

所属学会

応用物理学会, ニューダイヤモンドフォーラム

受賞履歴

  • 応用物理学会 講演奨励賞(2003年) ()
電子・光機能材料研究センター
タイトル

ダイヤモンド結晶成長と量子デバイス応用

キーワード

ダイヤモンド,CVD,エピタキシャル,高純度,量子センシング,半導体

概要

ダイヤモンドNVセンタを用いた量子磁気センサの実用化には、センサ感度の飛躍的な向上が不可欠である。私たちは、CVD(化学気相成長)法による結晶成長技術を極限まで高め、超高純度かつ低歪みなダイヤモンド結晶を実現することで、NVセンタの量子特性向上と高感度化に取り組んでいる。特に本研究では、窒素やNVセンタの濃度およびナノスケールでの空間配置の精密な制御を目指している。あわせて、不純物や欠陥を極限まで減らすことでスピン保持時間(T2およびT2*)を極大化するほか、結晶の大面積化や、NVセンタを用いた結晶内部のストレステンソル(歪み応力)の高精度評価技術の開発にも焦点を当てている。

新規性・独創性

量子応用に適した高度なダイヤモンド結晶成長技術
結晶成長、量子・光特性評価、点欠陥構造特定をシームレスに実施できる研究環境
量子センサ感度を向上するための窒素濃度の精密制御
CVD法によるダイヤモンド結晶の大型化
12Cダイヤモンド結晶などの同位体制御

内容

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量子センシング用ダイヤモンド結晶を創製するために私たちが実施している研究方法を図に示している。①NVセンタ形成:化学気相成長(CVD)法と高温高圧合成(HPHT)法を用いて様々な窒素ドープダイヤモンドを成長したり、各環境で熱処理を行ったりする。②スピン特性評価:パルス型光磁気共鳴分光(ODMR)法を用いてダイヤモンド結晶のスピン特性を評価する。共焦点型PL、ESR、FTIRなどの複数の分光評価を用い、さらに様々な結晶を評価することで、結晶の量子特性を正確に把握する。③NVセンタ形成学理構築:ステップ①と②からダイヤモンド結晶中に形成されている点欠陥の種類や濃度を類推し、これらがNVセンタのスピン特性に与える影響を定量的に調べる。ステップ③の結果から、ダイヤモンド結晶成長条件を見直し、新たな条件でのダイヤモンド成長を実施する。このように結晶成長、量子・光特性評価、点欠陥構造特定をシームレスに実施することで、NVセンタのスピン特性を確実に向上させることができる。

まとめ

量子センサ感度の向上に向け世界的に研究開発が進むなか、多くの機関は量子状態の検出手法の工夫に注力している。これに対しNIMSでは、「ダイヤモンド結晶へのNVセンタの最適な形成」という感度向上に最も直接的でインパクトがある課題に挑んでいる。
本研究ではCVD(化学気相成長)技術を用いて、窒素やNVセンタの濃度およびナノ空間配置の制御、スピン保持時間を最大化する不純物・欠陥の低減に加えて、結晶の大面積化やNVセンタを用いた結晶内部のストレステンソル(歪み応力)の高精度評価という次世代品質のダイヤモンド結晶成長に取り組んでいる。CVD成長から物性評価、理論計算までを包括するチーム体制によりNVセンタの特性向上を着実に達成しており、今後はNVセンタ以外のスピン欠陥へも対象を広げ、更なる展開を目指す。

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