Projet ANR-11-BS04-0021 – ADVICE : Applications innovantes des centres colorés NV du diamant
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-François Roch (ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN)
Partenaires : Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux; Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies; Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire; Laboratoire public; THALES
Montant : 690887.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Applications innovantes des centres colorés NV du diamantLe projet ADVICE (ADVanced applications of dIamond NV color CEnters) vise au développement de composants pour la magnétométrie et l’information quantique, dont les performances sont fondées sur les propriétés physiques des centres colorés NV (Nitrogen-Vacancy) du diamant. Les techniques de fabrication de ces atomes artificiels combinent la croissance assistée par plasma de couches de diamant avec l’implantation d’atomes d’azote ensuite convertis en centres N par recuit de l'échantillon.
Contrôle des propriétés des centres NV pour l'optimisation de leur réponse à un champ magnétique.En fonction de l'état de l’art des technologies développées à partir des propriétés des centres colorés NV du diamant, la génération future d’expériences nécessite de pouvoir : 1) Contrôler à l’échelle nanométrique la position des centres NV qui sont fabriqués par implantation d’atomes d’azote; 2) Contrôler l'orientation de l’axe des centres NV ainsi que leur distribution spatiale dans la profondeur de la couche de diamant ;3) Elaborer des pointes et des micropiliers de diamant (monocristallin ou polycristallin) contenant un centre NV unique au voisinage de l’extrémiité de la structure. Ce qui fixe les objectifs principaux du projet ADVICE. Objectif 1: faire l’ingénierie des centres NV, que ce soit au niveau d’un centre unique ou d’une couche contenant une concentration importante de ces défauts ponctuels.  Objectif 2: contrôler la distribution spatiale d'une couche de centres NV ainsi que  l'orientation de leur axe qui détermine l’axe de quantification de l’état quantique et l'axe de réponse du capteur magnétique associé à la résonance magnétique du spin électronique; Objectif 3: fabrioquer des pointes et des micropiliers en diamant, avec un centre NV dont les propriétés de spin soient optimisées par rapport aux valeurs de référence mesurées pour une couche de diamant massif.En parallèle, nous développerons un dispositif d'imagerie magnétique à grand champ qui pourra être mis en œuvre de façon routinière pour la cartographie d’une structure de champ magnétique.
1) Contrôle du matériau par croissance CVD  2) Implantation pour l’ingénierie de centres NV uniques dans une couche de diamant ultra-pur  3) Magnétométrie utilisant un ensemble de centres NVLa tâche 1 est consacrée à la croissance CVD de films de diamant aux propriétés optimisées.- Des couches de diamant ultra-pures et monocristallines seront synthétisées et serviront de matériau de base pour la création de centres NV par implantation. - Des films de diamant ayant une couche fortement dopée à l'azote seront préparés afin d'optimiser les deux paramètres complémentaires pour la sensibilité au champ magnétique: la concentration des centres NV et leur temps de cohérence T2 du spin. - Une croissance d'une couche CVD de grande pureté sera réalisée sur un échantillon implanté de telle sorte que les centres NV deviennent découplés des défauts de la surface qui limitent le temps de cohérence. - Des films de diamant contenant une concentration d'azote de l’ordre du ppm seront synthétisés, pour ensuite activer les centres NV avec un rendement de conversion élevé. La tâche 2 étudie l'implantation d’ions à travers des nano-canaux pour construire un réseau de centres NV, avec une figure de mérite donnée par: - Le rendement de conversion entre l'azote implanté puis converti en centres NV; - La résolution spatiale mesurée par microscopie optique super-résolue ;- Le temps de cohérence du spin des centres NV implantés mesuré par écho de spin. La Tâche 3 développera un dispositif d'imagerie magnétique à grand champ. Sa sensibilité sera évaluée par rapport à la limite du bruit de photon. Enfin, la tâche 4 explorera différentes méthodes pour réaliser des nanofils de diamant ou de pointes AFM contenant des centres NV, pour ensuite étudier les propriétés de luminescence. Les nanostructures de diamant seront fabriquées suivant des approches top-down et bottom-up. La combinaison de lithographie et gravure sèche permettra de fabriquer ces structures, avec des centres NV natifs ou post-implantés. Nous étudierons la croissance directe d'une structure de diamant dans un moule en silicone recouvert de nanocristaux de diamant.
Résumé de la soumission : Le projet ADVICE (ADVanced applications of dIamond NV color CEnters) vise au développement de composants innovants dont les performances sont fondées sur les propriétés physiques uniques des centres colorés NV. Partant de leur fabrication dans le diamant monocristallin ultra-pur synthétisé par croissance CVD, le projet a trois objectifs principaux : l’implantation de centres NV uniques avec une résolution spatiale de 10 nm pour l’information quantique, la production d’ensembles de centres NV avec des temps de cohérence longs pour la magnétométrie, et la nanostructuration de cristaux de diamant de haute pureté pour réaliser des pointes AFM et des sources efficaces de photon unique.Le projet comporte deux partenaires académiques (LPQM / CNRS et ENS Cachan ; LSPM / CNRS et Université Paris-XIII) et deux partenaires industriels (Thales Research and Technology: TRT  ; CEA LIST). Un partenaire allemand (Ruhr Universität Rubion) participera au projet  sans être financé. Ensemble, les partenaires maîtrisent toute la chaine, de la production des centres NV dans le diamant CVD ultrapur par implantation ionique et allant jusqu'à leur utilisation pour des applications déterminées.Le LPQM coordonnera le projet. Il sera en charge de la tâche sur la magnétométrie de haute précision et s'impliquera dans d’autres tâches du projet telles que l’implantation des centres NV uniques et leur caractérisation par microscopie STED. Le LSPM sera en charge de la tâche sur la synthèse et la fourniture d’échantillons de diamant CVD avec des propriétés contrôlées et optimisées. De plus, le LSPM testera des techniques originales de croissance afin d’obtenir des densités élevées de centres NV ayant de longs temps de cohérence de spin. Thales sera en charge de l’implantation déterministe des centres NV uniques, obtenue grâce à la réalisation de masques par lithographie électronique. Thales contribuera aussi activement au développement du magnétomètre à haute sensibilité. Le CEA LIST sera en charge de l’ingénierie du diamant nano-structuré et du contrôle des effets de surface. Rubion est le spécialiste de l’implantation d’ions azote dans le diamant et il réalisera des irradiations variées pour optimiser le processus de création des centres NV par implantation. ADVICE est un projet de recherche fondamentale orientée vers les applications. Les propriétés uniques de cohérence de spin des centres NV, préservées à température ambiante, sont très prometteuses pour les capteurs "cohérents". Les tâches menées dans ce projet peuvent donner des résultats directement exploitables par les partenaires développant des applications industrielles : Thales et le CEA. Le magnétomètre de haute précision pourrait être intégré dans les détecteurs d’anomalies magnétiques , servir à l’imagerie 2D en spintronique ou pour le suivi d’échanges ioniques dans des cellules. Le projet peut aussi avoir des retombées dans d’autres domaines d’application liées à l’amélioration de la croissance CVD du diamant. Le silicium sur diamant est une technique qui permet de réduire les problèmes de chauffage rencontrés dans les microprocesseurs modernes, et les filtres à ondes de surface sur substrat de diamant ont des propriétés inégalées en termes de qualité et de bande-passante.Les résultats obtenus par les membres du consortium seront présentés dans des revues scientifiques et des conférences internationales. En parallèle, une attention particulière sera apportée à leur protection. Aucune publication ne sera faite sans l’accord préalable des partenaires et une recherche de brevetabilité. Ce point sera entériné au travers de l’accord de consortium que les partenaires signeront.En conclusion, le succès d’ADVICE conduira à un progrès majeur dans la compréhension et le contrôle des propriétés fondamentales des centres NV dans le diamant ultrapur ainsi que dans leurs applications. Le projet représente un investissement stratégique dans un domaine très prometteur de la technologie d’aujourd’hui.
Résultats : 1. Synthèse de couches ultra-pures de faible rugosité adaptées pour l’implantation ou permettant la découpe d’une lame CVD autosupportée polie.
2. Mise au point de techniques de croissance en homoépitaxie permettant le contrôle de la création des centres NV : localisation spatiale en profondeur, orientation préférentielle des centres imposée par l’orientation cristalline du substrat.
3. Fabrication de pointes en diamant monocristallin contenant un centre NV unique, conduisant à une efficacité record de la collection de luminescence de cet émetteur. Les paramètres du spin électronique (largeur de raie de résonance magnétique) sont similaires à ceux obtenus pour des centres NV dans le diamant natif, ce qui conduira à une augmentation considérable de la sensibilité par rapport à des pointes fonctionnalisés par l'accrochage à l'extrémité d'un nanocristal de diamant. 
4. Utilisation de la technologie FIB pour l’implantation, à partir d’un faisceau d’ions azote extraits d’une source “Electron Cyclotron Resonance”. Un projet ANR du programme P2N-2013, entre le LAC et la société ORSAY PHYSICS, va permettre la fabrication d’une machine optimisée. L’objectif est d’obtenir une résolution inférieure à 10 nm pour la création des centres NV, avec la possibilité d’observer la zone implantée par microscopie électronique.
5. Réalisation d’un dispositif d’imagerie “grand-champ” basé sur la résonance magnétique d'une couche de centres NV implantés à très faible profondeur . L'enregistrement du spectre de résonance magnétique en chaque pixel permet de reconstruire la carte donnant la distribution vectorielle d’une structure de champ magnétique. Il s’agit là d’un résultat marquant qui devrait conduire à de très nombreuses applications car il n’existe pas de technique équivalente qui permette d’obtenir cette information avec une mesure quantitative du vecteur B (amplitude et orientation dans l'espace).
Perspectives : Les perspectives du projet sont les suivantes :
1. Le magnétomètre imageur “grand champ” va permettre la mesure de structures magnétiques à deux dimensions avec éventuellement une résolution temporelle. Ce type de besoin existe en particulier pour la caractérisation de structures en spintronique.
2. La réalisation de pointes AFM en diamant massif, avec une orientation contrôlée du centre NV couplé à cette structure, est un résultat très important pour le développement des techniques de microscopie magnétique qui utilisent un centre NV unique. Cette technique n’a pas d’équivalent actuel pour étudier et comprendre la structure d’un champ magnétique à l’échelle nanométrique. 
3. Nous avons proposé un dispositif permettant de mesurer un champ magnétique avec une sensibilité au niveau du pT. La configuration de détection par absorption exaltée en cavité est bien adaptée à la réalisation de magnétomètres très sensibles, compacts et robustes. Les applications potentielles de tels dispositifs sont la détection d’anomalie magnétique qui est utilisée, par exemple, pour la géodésie et la prospection minière.
4. Le projet a débouché sur deux techniques complémentaires pour l’implantation de centres NV avec une localisation de l'ordre de 10 nm : soit par l’utilisation d’un masque ayant été préalablement déposé à la surface de l’échantillon puis gravé pour y fabriquer des canaux d'implantation, soit au moyen d’une colonne FIB et d’un dispositif de collimation du faisceau d’ions. Les applications visées concernent l’information quantique. Ce sont des objectifs à long terme, mais qui pourraient s’avérer essentiels pour la réalisation de simulateurs quantiques ou la cryptographie.
Publications et brevets : Publications (juillet 2014) :
1.	J.-P. Tetienne, L. Rondin, P. Spinicelli, M. Chipaux, 
T. Debuisschert, J.-F. Roch, and V. Jacques, “Magnetic field- dependent photodynamics of single NV defects in diamond : an application to qualitative all-optical magnetic imaging”, 
New J. Phys. 14, 103033 (2012) - arXiv:1206 .1201
2.	Y. Dumeige, M. Chipaux, V. Jacques, F.Treussart, J.-F. Roch, 
T. Debuisschert, V. M. Acosta, A. Jarmola, K. Jensen, P. Kehayias, and D. Budker, “Magnetometry with nitrogen-vacancy ensembles in diamond based on infrared absorption in a doubly resonant optical cavity”, 
Phys. Rev. B 87, 155202, (2013) – arXiv:1301.0808
3.	M. Lesik, P. Spinicelli, S. Pezzagna, P. Happel, V. Jacques, 
O. Salord, B. Rasser, A. Delobbe, P. Sudraud, A. Tallaire, 
J. Meijer, and J.-F. Roch, “Maskless and targeted creation of arrays of colour centres in diamond using focused ion beam technology”, 
Phys. Stat. Sol. A 210, 2055-2059 (2013) – arXiv:1304.6619
4.	M. Lesik, J.-P. Tetienne, A. Tallaire, J. Achard, V. Mille, A. Gicquel, J.-F. Roch, and V. Jacques, “Perfect preferential orientation of nitrogen-vacancy defects in a synthetic diamond sample”, 
Appl. Phys.Lett. 104, 113107 (2014) – arXiv:1401.2795
Nous avons soumis une proposition de projet intégré centré sur les applications des centres NV dans le diamant dans le cadre de l’appel FP7 ICT-2013-10: FET proactive : “Atomic and Molecular Scale Devices and Systems”. Le projet, dont l’acronyme est DIADEMS, a été classé premier de l’appel. Il est coordonné par THALES. Le projet ANR ADVICE a servi de base pour la constitution du consortium de DIADEMS qui regroupe les principaux acteurs européens du domaine (15 partenaires). Le projet a démarré le 1er septembre 2013 pour une durée de 4 ans, avec comme partenaires français THALES, LAC et LSPM.