Projet ANR-13-NANO-0006 – ENVIE-FIB : Easy Nitrogen Vacancy Ion Engineering using Focused Ion Beams
Programme : Nanotechnologies et nanosystèmes (P2N)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-François Roch (Laboratoire Aimé Cotton)
Partenaires : Laboratoire Aimé Cotton; ORSAY PHYSICS
Montant : 450459.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Easy Nitrogen-Vacancy Ion Engineering using Focused Ion BeamsENVIE-FIB a pour objectif la mise au point d’un instrument permettant la création d’atomes artificiels dans du diamant de haute pureté, au moyen à partir d’une colonne FIB basée sur une source plasma ECR pouvant fonctionner avec différents gaz. L’azote sera utilisé pour créer des centres colorés NV par implantation ionique, avec comme objectif d’atteindre une résolution spatiale de 10 nm des défauts ponctuels ainsi créés. Le xénon permettra de graver la couche de diamant.
Création de défauts ponctuels avec une résolution manométrique en utilisant la technologie des faisceaux d'ions focalisésLe projet ENVIE-FIB a pour objectif la construction d’une colonne d’ions focalisés (FIB) qui permettra de créer des centres colorés NV du diamant, à partir d’une implantation d’atomes d’azote dans un échantillon de diamant de très grande pureté et avec une très bonne résolution spatiale. Les ions seront produits au moyen d’une une source ECR (electron cyclotron resonance) qui a été développée par Orsay Physics et qui est adaptée à des molécules de xénon (Xe) et d’azote (N). La brillance de la source sera optimisée, pour améliorer la résolution avec un courant d’ions de trè§s faible intensité, compatible avec une implantation au niveau de l’atome unique pendant le balayage du faisceau sur l’échantillon. L’objectif est de parvenir à focaliser le faisceau d’azote pour atteindre une résolution de l’ordre de 10 nm dans la création des défauts ponctuels. Cette position sera mesurée de façon relative grâce à une technique de microscopie optique super-résolue. La résolution au niveau de l’implantation sera optimisée au moyen d’un diaphragme placé sur l’échantillon implanté et qui sera intégré dans la chambre à vide.? La source ECR peut également fonctionner avec des atomes de Xe, beaucoup plus massifs et qui permettent de réaliser de façon très efficace des usinages d’échantillons. Nous testerons la possibilité de fabriquer des microstructures (lentilles solides à immersion, micropiliers) dont la géométrie augmente l’efficacité de collection de la luminescence des défauts.
Le projet adapte une technologie de faisceau d'ions focalisés développée à Orsay Physics pour l'adapter à la fabrication d'atomes artificiels dans le diamant par implantation d'ionsL’appareil est fondé sur une colonne FIB qui permettra d'implanter des atomes d’azote dans un échantillon de diamant ultrapur. Par recuit, les impuretés insérées dans le réseau cristallin seront transformées en centres colorés NV.  La colonne d’ions est actuellement testée à Orsay Physics afin d'optimiser la focalisation du faisceau dans des conditions de flux d'ions compatibles avec la création de centres NV uniques. Cette résolutions sera ensuite mesurée de façon indépendante par une technique de microscopie optique super-résolue précédemment mise au point au laboratoire Aimé Cotton.  La chambre à vide et l’ensemble des dispositifs de déplacement d’échantillons sont actuellement en cours de conception par le bureau d’étude du laboratoire Aimé Cotton. Ce système permettra l’intégration de la colonne d’ions puis ultérieurement celle de la colonne d’électrons qui permettra de visualiser avec une très bonne résolution la zone sur laquelle le faisceau d'ions est focalisé.
Résumé de la soumission : Le projet ENVIE-FIB vise à l’utilisation des propriétés uniques de centres colorés NV du diamant pour le développement d’applications innovantes dans le domaine de l’information quantique. La parfaite photostabilité de cet émetteur à l’état solide combinée à la possibilité d’une détection toute optique de son état de spin font du centre NV un candidat de choix pour l’information quantique, en particulier pour le développement de sources efficaces de photons uniques à température ambiante. De telles applications nécessitent de contrôler la création de ces émetteurs à l’échelle nanométrique. Ceci constitue l’objet de ce projet, qui fédère le groupe de recherche de Jean-François Roch et Vincent Jacques au Laboratoire Aimé Cotton, spécialiste des centres colorés NV du diamant, et la société Orsay Physics, qui est reconnue comme une référence au niveau international pour la réalisation et l’optimisation de faisceaux ioniques focalisés (FIB).Durant ce projet, nous construirons un instrument visant à l’implantation contrôlée de centres NV dans du diamant de haute pureté en utilisant une colonne FIB basée sur une source ECR (electron cyclotron resonance) adaptée à des molécules de xénon (Xe) et d’azote (N). L’azote sera utilisé pour créer des centres colorés NV par implantation ionique, avec comme objectif d’atteindre une résolution spatiale de 10 nm. Les molécules de Xe, beaucoup plus massives, seront utilisées pour réaliser une nanostructuration de la matrice de diamant. En particulier, nous réaliserons des lentilles solides à immersion (SIL) autour des centres NV implantés afin d’améliorer significativement l’efficacité de collection optique, en s’affranchissant des limitations liées au fort indice de réfraction de la matrice de diamant.La colonne FIB sera par la suite couplée à une microscope optique confocal qui permettra l’observation in situ de la zone d’implantation. La chambre d’étude sera également conçue dans le but de pouvoir intégrer une colonne de microscopie électronique permettant de suivre en temps réel la nanostructuration de l’échantillon de diamant. La possibilité de réaliser des images de microscopie électronique permettra également d’implanter des centres NV dans des structures photoniques comme des nanopiliers ou des cristaux photoniques en diamant.  Le projet ENVIE mutualise et intègre les efforts de deux partenaires, académique et industriel, afin de développer une technologie innovante pour la création contrôlée de centres NV avec une résolution nanométrique ainsi que leur couplage à des microstructures. L’instrument développée dans ce projet permettra de pousser les limites d’applications prometteuses utilisant les propriétés physiques des centres NV, de l’information quantique à la métrologie.
Résultats : 1) Une colonne d'ions a été mise au point à ORSAY PHYSICS, combinant l'optique de focalisation du faisceau d'ions avec une optique photonique qui visualise la zone de focalisation du faisceau d'ions. Des premières caractérisations ont monté une résolution de l'ordre de 30 nm dans l'image obtenue à partir de la détection des électrons secondaires produits par le faisceau d'ions. 
2) Une chambre à vide combinant la colonne d'ions avec une colonne de microscopie électronique a été dessinée au laboratoire Aimé Cotton, en intégrant différents éléments de nanopositionnement. Une partie de ce système est en cours de fabrication.
Perspectives : Le projet aboutira à la mise en place d'une plateforme d'implantation dont les performances attendues seront très largement au-dessus de l'état de l'art, tant au niveau de la résolution atteinte par la faisceau d'ions que de la possibilité e pouvoir pointer le faisceau d'implantation dans des microstructures et nanostructures visualisées au moyen d'un faisceau d'électrons généré par une source Schottky.
Publications et brevets : Deux brevets sont en cours d'étude, afin d'exploiter des innovations techniques liées au projet.