(57)【要約】  光学素子の製造方法であって、この方法は、第１の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により単結晶ダイヤモンド材料の第１の層を成長させるステップと、第２の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により第１の層上に単結晶ダイヤモンド材料の第２の層を成長させるステップとを有し、第２の窒素濃度は、第１の窒素濃度よりも低く、この方法は、第２の単結晶ダイヤモンド材料層の少なくとも一部分から光学素子を形成するステップと、光の取り出しを増大させるために光学素子の表面のところに取り出し構造体を形成するステップとを更に有する、方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子の製造方法であって、前記方法は、
第１の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により単結晶ダイヤモンド材料の第１の層を成長させるステップを有し、
第２の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により前記第１の層上に単結晶ダイヤモンド材料の第２の層を成長させるステップを有し、前記第２の窒素濃度は、前記第１の窒素濃度よりも低く、
前記第２の単結晶ダイヤモンド材料層の少なくとも一部分から光学素子を形成するステップを有し、
光の取り出しを増大させるために前記光学素子の表面のところに取り出し構造体を形成するステップを有し、
前記第１の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して３００ｐｐｂ（十億分率）以上且つ５ｐｐｍ（百万分率）以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われ、
前記第２の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して０．００１ｐｐｂ以上且つ２５０ｐｐｂ以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われる、方法。
【請求項２】
前記取り出し構造体は、前記光学素子の形成後に形成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記取り出し構造体は、前記光学素子の形成中、前記光学素子を形成する前記ステップの一体部分として形成される、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記取り出し構造体は、前記光学素子のダイヤモンド表面中に形成され、それにより、前記取り出し構造体は、前記光学素子の前記ダイヤモンド表面により一体に形成される、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項５】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって又は前記結晶面のうちの１つから１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成される、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項６】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、｛１１１｝結晶面によって１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成される、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成る、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項８】
前記光学素子は、前記第１の単結晶ダイヤモンド材料層を全く含まないで前記第２の単結晶ダイヤモンド材料層で作られている、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項９】
前記光学素子は、前記第１の層と前記第２の層の両方の少なくとも一部分で作られている、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１０】
前記取り出し構造体は、少なくとも一部が、前記第１の単結晶ダイヤモンド材料層で作られた前記光学素子の前記部分に形成される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の層は、０．２５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、１．２５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上又は５ｍｍ以上の厚さまで成長させられる、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の層は、アスペクト比が少なくとも１．３：１の成長面を有する単結晶ダイヤモンド基体上に成長させられる、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の層は、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上、５００μｍ以上又は１ｍｍ以上の厚さまで成長させられる、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１４】
１つ又は２つ以上の単一格子エミッタが前記第２の単結晶ダイヤモンド材料層中に成長させられる、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１５】
１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを成長後に前記第２の単結晶ダイヤモンド材料層中に打ち込むステップを更に有する、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１６】
第３の単結晶ダイヤモンド材料層が化学蒸着技術を介して前記第２の層上に成長させられる、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１７】
１つ又は２つ以上の単一格子エミッタが前記第３の単結晶ダイヤモンド材料層中に成長させられる、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記第１の層から０．１μｍ、１μｍ、１０μｍ、１００μｍ、２００μｍ又は５００μｍ以上の距離を置いたところに配置される、請求項１４〜１７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の層は、炭素原料ガスを含む気相を用いて成長させられ、前記炭素原料ガスは、前記炭素原料ガスの全Ｃ含有量のうちの少なくとも９９％の量の12Ｃを含む、請求項１〜１８のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２０】
光学素子であって、
第１の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分を有し、
前記第１の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分を有し、前記第２の部分は、前記第１の単一置換窒素濃度よりも低い第２の単一置換窒素濃度を有し、
前記光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有し、
前記第１の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度及び０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られ、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下又は１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有し、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下又は０．５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られている、光学素子。
【請求項２１】
前記取り出し構造体は、前記光学素子のダイヤモンド表面中に形成され、それにより、前記取り出し構造体は、前記光学素子の前記ダイヤモンド表面により一体に形成さていれる、請求項２０記載の光学素子。
【請求項２２】
前記取り出し構造体の少なくとも一部分は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分中に一体に形成されている、請求項２０記載の光学素子。
【請求項２３】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって又は前記結晶面のうちの１つから１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成されている、請求項２０〜２２のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２４】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、｛１１１｝結晶面によって１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成されている、請求項２３記載の光学素子。
【請求項２５】
前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成る、請求項２０〜２４のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２６】
前記第２の部分は、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上又は５００μｍ以上の厚さを有する層から成る、請求項２０〜２５のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２７】
前記第１の部分は、前記第２の部分の単一置換窒素濃度の少なくとも５倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍、５００倍、１０００倍又は１００００倍の単一置換窒素濃度を有する、請求項２０〜２６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２８】
前記第１の部分は、０．９％を超える13Ｃの全濃度を有する、請求項２０〜２７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２９】
前記第１の部分は、12Ｃに対して13Ｃの自然同位体存在度を有する、請求項２８記載の光学素子。
【請求項３０】
前記光学素子は、前記第１の部分と前記第２の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで作られ、前記第１の部分と前記第２の部分は、前記単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合されている、請求項２０〜２９のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３１】
前記第１の部分と前記第２の部分は、ファンデンワールス力により、クランプ装置により又は前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられた中間接着剤を介して互いに結合された別個独立の単一結晶である、請求項２０〜３０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３２】
前記取り出し構造体は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分及び前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分によって形成された凸面であり、前記第１の部分は、球形キャップを形成し、前記第２の部分は、球形セグメントを形成している、請求項２０〜３１のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３３】
前記取り出し構造体は、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）を形成している、請求項３２記載の光学素子。
【請求項３４】
前記ＳＩＬは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成している、請求項３３記載の光学素子。
【請求項３５】
０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上又は５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ２を有する１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを更に有する、請求項２０〜３４のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３６】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、ＮＶ-欠陥、Ｓｉ関連欠陥、Ｎｉ関連欠陥及びＣｒ関連欠陥から成る群から選択される、請求項３５記載の光学素子。
【請求項３７】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分中に設けられている、請求項２０〜３６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３８】
前記第１の部分と反対側で前記第２の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第３の部分を更に有する、請求項２０〜３７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項３９】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記第３の部分中に設けられている、請求項３８記載の光学素子。
【請求項４０】
前記光学素子は、自立型光学素子である、請求項２０〜３９のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項４１】
ブラッグミラーが前記第１の部分と反対の前記第２の部分の側部に設けられている、請求項２０〜４０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項４２】
単結晶ダイヤモンド材料の少なくとも一部分を有するダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）であって、前記単結晶ダイヤモンド材料は、２０ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度及び０．９％以下の13Ｃの全濃度のうちの一方又は両方を有する、ダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４３】
前記ダイヤモンドＳＩＬは、本質的に、前記単結晶ダイヤモンド材料の部分から成る、請求項４２記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４４】
前記ダイヤモンドＳＩＬは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成している、請求項４２又は４３記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４５】
前記ダイヤモンドＳＩＬは、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって前記結晶面のうちの１つから１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成された平坦な表面を有する、請求項４２〜４４のうちいずれか一に記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４６】
前記平坦な表面は、｛１１１｝結晶面によって１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成される、請求項４５記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４７】
前記単結晶ダイヤモンド材料の前記部分は、１５ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下又は５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する、請求項４２〜４６のうちいずれか一に記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４８】
０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上又は５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ２を有する１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを更に有する、請求項４２〜４７のうちいずれか一に記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項４９】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、ＮＶ-欠陥、Ｓｉ７３７ｎｍ欠陥、Ｎｉ欠陥、Ｃｒ欠陥及びＣｏ欠陥から成る群から選択される、請求項４８記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項５０】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の前記部分中に設けられている、請求項４８又は４９記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項５１】
少なくとも１つの単一格子エミッタは、前記ダイヤモンドＳＩＬの中心回転軸線から３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下又は５μｍ以下の側方距離のところに配置されている、請求項４８〜５０のうちいずれか一に記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項５２】
前記単結晶ダイヤモンド材料の部分の平坦な側部に結合された単結晶ダイヤモンド材料の層を更に有する、請求項４２〜５１のうちいずれか一に記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【請求項５３】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の層中に設けられている、請求項５２記載のダイヤモンドＳＩＬ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド光学素子及びその製造方法に関する。本発明は又、例えば磁気測定法及び量子情報処理のような用途のための単一格子源用の高品質単結晶ダイヤモンドホスト材料を有する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の２０年間にわたって、量子情報処理のための単一格子源の使用及び操作に相当な関心が寄せられている。
【０００３】
最近の１０年間にわたり、ダイヤモンドにおける光学活性欠陥は、室温での長いデコヒーレンス時間及び強力な光学ダイポール結合により効率的且つ頑丈なソリッドステート単一格子源として実証されている。多くの光学的活性欠陥は、ダイヤモンドにおいて研究され、かかる欠陥としては、珪素空孔（silicon-vacancy：ＳｉＶ）、ニッケル及びクロム関連欠陥及び負に帯電した窒素空孔（nitrogen-vacancy：ＮＶ-）欠陥が挙げられる。ＮＶ-は特に、多くの関心を惹くものであった。というのは、そのスピン状態を極めて長いコヒーレンス時間による高い中実度でコヒーレント的に操作できるからであり（これは、横緩和時間Ｔ２を用いて定量化できると共に比較できる）、その特定の電子構造を有しており且つ光ポンピングを利用できるからである。さらに、ＮＶ-欠陥の電子スピン状態を格子を介して読み取ることができ、これは、ＮＶ-欠陥を長距離量子通信及びスケール変更可能な量子コンピュータ計算のための量子ビット又はキュービット（qubit）として用いる方向に向かう重要な要素である。かかる結果として、ＮＶ-欠陥は、ソリッドステート量子情報処理（ＱＩＰ）に関する競合的候補になっている。
量子用途に適した材料を製造する上での大きな問題の１つは、量子ビットがデコヒーレンスするのを阻止することであり又は少なくとも、システムがデコヒーレンスするのに要する時間を長くすることである（即ち、「デコヒーレンス時間を長くする」）。長いＴ２時間は、例えば量子コンピュータ計算のような用途において望ましい。というのは、これにより、アレイ状に配置された量子ゲートの動作の時間を長くすることができ、かくして、複雑な量子コンピュータ計算を実施することができるからである。
【０００４】
国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレットは、高い化学的純度、即ち、低い窒素含有量を有する単結晶ダイヤモンド材料を用いると、量子スピン欠陥を有するソリッドステートシステムを形成することができるということを開示しており、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、結晶欠陥の存在を最小限に抑えるために処理される。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温において長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みを行うために用いられる光学遷移の温度及び頻度は安定している。
【０００５】
国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレットは、化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いてダイヤモンド材料を調製する条件を注意深く制御することによって、極めて高い化学的純度を極めて高い同位体純度と合わせ持つダイヤモンド材料を提供することが可能であることを開示している。ＣＶＤ法を用いる材料の化学的純度と同位体純度の両方を制御することによって、量子スピン欠陥のホストとして用いるのに特に適した合成ダイヤモンド材料を得ることが可能である。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温で長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みに用いられる光学遷移の周波数は、安定性がある。低い窒素濃度及び低い濃度の13Ｃを有する合成ダイヤモンド材料の層が開示されている。合成ダイヤモンド材料の層は、極めて低い不純物レベルを有すると共に極めて低い関連点欠陥を有する。加うるに、合成ダイヤモンド材料の層は、低い転位密度、低い歪並びにかかる合成ダイヤモンド材料の光吸収が本質的に、完全なダイヤモンド格子の光吸収である成長温度と関連した熱力学的値に十分に近い空孔及び自己格子間濃度を有する。上述のことに照らして、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットが高品質「量子等級」単結晶ダイヤモンド材料を製造する方法を開示していることは明らかである。「量子等級」ダイヤモンドという用語は、本明細書では、ダイヤモンド材料の量子スピン特性を利用する用途に用いるのに適したダイヤモンド材料について用いられている。具体的に説明すると、量子等級ダイヤモンド材料の高い純度により、当業者に知られている光学技術を用いて単一欠陥中心を隔離することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
１つの問題は、かかる材料の欠陥からの単一格子放出が非常に弱い場合があるということである。例えば、ダイヤモンドのＮＶ-欠陥は、低い温度であっても０．０５オーダのデバイ‐ウォーラー因子と関連した広域スペクトル放出を示す。この場合、ゼロフォノンライン（Zero-Phonon Line：ＺＰＬ）の単一格子の放出は、極めて弱く、典型的には、毎秒数千フォトンのオーダのものである。かかる計数率は、妥当なデータ収集時間内でのスピン状態と光学遷移との間の結合に基づいて新型ＱＩＰプロトコルの実現にとっては不十分な恐れがある。この問題は又、ダイヤモンド内の他の格子放出欠陥についても明らかである。
【０００８】
放出が弱いという問題に加えて、ダイヤモンドの屈折率が高いことは、全反射に起因して、小さな立体角の範囲内において収集することができるフォトンが極めて少ないということが明らかである。したがって、磁気測定法及び量子情報処理を含む用途にとってダイヤモンドの単一格子エミッタからの光収集を増加させることが必要である。この点に関し、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレットと同第２０１０／０１０３５２号パンフレットの両方は、これらの特許文献において説明している量子等級ダイヤモンド材料が巨視的曲率を有する表面、例えば、量子欠陥中心から出力された光を集めて集束するために約１０μｍ〜約１００μｍの曲率半径を備えたレンズを有するのが良いことを開示している。等方性エッチングを用いると巨視的湾曲特徴部、例えばレンズを形成することができる一方で表面長さを制御し又は減少させることができるということが示唆される。
【０００９】
しかしながら、単結晶量子等級ダイヤモンド材料は、特に大きな単結晶に関しては、低級ダイヤモンドと比較して、製造するのが困難であり、時間がかかり、しかも費用が高くつく場合がある。したがって、光取り出し構造体、例えばレンズを組み込むのに十分なサイズの単結晶量子等級ダイヤモンドを形成することは困難であり、時間がかかり、しかもコスト高である。
【００１０】
本発明の或る特定の実施形態の目的は、上述の問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の問題は、本発明の第１の観点によれば、光学素子の製造方法であって、この方法が、
第１の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により単結晶ダイヤモンド材料の第１の層を成長させるステップを有し、
第２の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により第１の層上に単結晶ダイヤモンド材料の第２の層を成長させるステップを有し、第２の窒素濃度は、第１の窒素濃度よりも低く、
第２の単結晶ダイヤモンド材料層の少なくとも一部分から光学素子を形成するステップを有し、
光の取り出しを増大させるために光学素子の表面のところに取り出し構造体を形成するステップを有し、
第１の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して３００ｐｐｂ（十億分率）以上且つ５ｐｐｍ（百万分率）以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われ、
第２の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して０．００１ｐｐｂ以上且つ２５０ｐｐｂ以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われることを特徴とする方法を提供することによって解決される。
【００１２】
第２の層は又、炭素原料ガスを含む気相を用いて成長させられるのが良く、炭素原料ガスは、炭素原料ガスの全Ｃ含有量のうちの少なくとも９９％の量の12Ｃを含む。
【００１３】
本発明の第２の観点によれば、光学素子であって、
第１の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分を有し、
第１の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分を有し、第２の部分は、第１の単一置換窒素濃度よりも低い第２の単一置換窒素濃度を有し、
光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有し、
第１の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度及び０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られ、
単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下又は１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有し、
単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下又は０．５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られていることを特徴とする光学素子が提供される。
【００１４】
本発明の第１の観点を用いてかかる光学素子を構成することができ、光学デバイスの第１及び第２の部分は、第１の観点に従って成長させた単結晶ダイヤモンド材料の第１の層及び第２の層から形成される。本発明の実施形態により、自立型ダイヤモンド光学構造体を形成するダイヤモンド材料への光の取り込み及び取り出しを増加させる自立型ダイヤモンド光学構造体が提供される。光学構造体は、例えば、ダイヤモンドレンズであるのが良く、より具体的には、ダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）である。
【００１５】
本発明の第３の観点によれば、単結晶ダイヤモンド材料の少なくとも一部分を有する自立型ダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）であって、単結晶ダイヤモンド材料は、２０ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度及び０．９％以下の13Ｃの全濃度のうちの一方又は両方を有することを特徴とするダイヤモンドＳＩＬが提供される。
【００１６】
本発明の第４の観点によれば、単結晶ダイヤモンド材料の少なくとも一部分を有するダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）であって、単結晶ダイヤモンド材料は、２０ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度及び０．９％以下の13Ｃの全濃度のうちの一方又は両方を有することを特徴とするダイヤモンドＳＩＬが提供される。ダイヤモンドＳＩＬは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成するのが良い。かかるダイヤモンドＳＩＬを本発明の第１の観点としての方法を用いて形成でき、この場合、ＳＩＬは、第２の単結晶ダイヤモンド層単独で又は第１の観点に従って成長させた第１の層と第２の層の両方で形成することができる。
【００１７】
本発明の実施形態は、所与の範囲の利用可能性を有する。例えば、或る特定の実施形態は、ダイヤモンド材料の量子スピン特性を利用した用途、例えば、ダイヤモンド検出器（例えば、ダイヤモンド磁気測定計）に利用できる。
【００１８】
次に、本発明の良好な理解を得ると共に本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、これは例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】窒素をドープした単結晶ダイヤモンド材料（Ｎドープト層）の第１の層をＣＶＤ技術により基体上に成長させると共に高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層（ＨＰ層）を第１の層上に成長させた本発明の実施形態を示しており、点線は、例えばレーザ切断により第１及び第２の層の部分を有するダイヤモンドＳＩＬをどのようにして形成することができるかを示しており、単一格子エミッタがダイヤモンドＳＩＬの焦点のところ又はその近くに設けられている状態を示す図である。
【図２】図１に類似した構成例を示す図であるが、ダイヤモンドＳＩＬのベースの近くに線の状態に配置された複数の単一格子エミッタが設けられている状態を示す図である。
【図３】ダイヤモンドＳＩＬがもっぱら高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層から作られた変形実施形態を示す図である。
【図４】複数のダイヤモンドＳＩＬが高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層から形成された変形実施形態を示す図である。
【図５】光学素子が第１及び第２の層の一部分から作られた変形実施形態を示す図であり、点線が第１の層中に切り込まれた回折格子を示す図である。
【図６】ダイヤモンドＳＩＬなしの格子放出状態を示す図（ａ）、ダイヤモンドＳＩＬを備えた格子放出の状態を示す図（ｂ）、ＮＶ-欠陥の原子構造を示す図（ｃ）、主要集光光学系として用いられるダイヤモンドＳＩＬを備えた又は備えていないダイヤモンド中の単一格子エミッタからの収集効率の計算結果を示すグラフ図（ｄ）、
【図７】ダイヤモンドＳＩＬを示す図（ａ）、共焦点顕微鏡検査法を用いてダイヤモンドＳＩＬ中のＮＶ-欠陥を画像化する実験装置を示す図（ｂ）、ＮＶ-欠陥周りの領域の代表的なラスタースキャン結果を示すと共に明るいスポットが単一のＮＶ-欠陥を示す図（ｃ）、波長λ＝６３７ｎｍでのゼロフォノラインを備えた広域放出を示すフォトルミネセンススペクトルを示す図（ｄ）、２次自己相関関数ｇ(2)（τ）を示す図（ｅ）、
【図８】ダイヤモンドＳＩＬ及び平坦なダイヤモンド表面を介して画像化された単一ＮＶ-欠陥についてレーザ出力の関数としてバックグラウンド補正フォトルミネセンス（ＰＬ）強度を示す図である。
【図９】単一ＮＶ-欠陥の電子スピン共鳴状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の或る特定の実施形態では、光学素子であって、量子等級ダイヤモンド材料の少なくとも一部分及び光学素子の表面のところに設けられていて、光学素子の表面のところに設けられていて、量子等級ダイヤモンド材料からの光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有する光学素子が提供される。極めて低い窒素環境及び／又は極めて低い13Ｃ環境内において量子等級ダイヤモンド材料を成長させる。さらに、量子等級材料の表面の少なくとも一部分は、好ましくは、低い表面粗さを備えている。かかる材料は、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されている。しかしながら、かかる量子等級ダイヤモンド材料の成長は、極めて注意深く制御される必要がある。さらに、窒素含有量が低いので、その結果として、基体からの側方成長が乏しい。これは、ダイヤモンドが相当大きな側方成長を行うことができると共にこれを高い速度で成長させることができる窒素含有量の高い環境内において成長させた低品質ダイヤモンドとは対照的である。したがって、本発明は、多段成長プロセスを用いることを提案し、かかる多段成長プロセスでは、低品質単結晶ダイヤモンド材料の第１の層を比較的高い窒素含有量環境中で成長させて比較的高い成長速度での側方成長を促進し、次いで、第２の成長段階を実施し、この第２の成長段階では、気相を変化させて第１の層状に高品質量子等級ダイヤモンド材料を形成する。
【００２１】
かかる方法により、単一段プロセスと比較して多くの体積の量子等級ダイヤモンド材料を成長させることができる。したがって、大きなサイズの量子等級ダイヤモンド材料から成る光学素子を形成することができ、その結果、取り出し構造体を光学素子の表面のところに容易に形成することができ、それにより量子等級ダイヤモンド材料からの光の取り出しを増加させることができる。変形例として、本発明の方法により達成される量子等級ダイヤモンド材料の側方寸法の増大に起因して複数の光学素子を同一の量子等級材料片から形成しても良い。
【００２２】
光学素子のダイヤモンド本体の形成後に取り出し構造体を形成することができ又は光学素子のダイヤモンド本体の形成中、光学素子のダイヤモンド本体を形成する方法の一体部分として形成することができる。取り出し構造体を、例えば、光学素子のダイヤモンド表面中に形成することができ、即ち、取り出し構造体は、光学素子のダイヤモンド表面によって一体に形成される。
【００２３】
取り出し構造体が形成される光学素子の表面及び／又は表面と反対側の光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって又はこれらの表面のうちの１つの近くに（上述の結晶面のうちの１つから１０°以下、８°以下、５°以下、２°以下、１°以下又は０．５°以下に）に形成される。｛１１１｝平面が好ましい。というのは、かかる結晶方位により、光の取り出しが増加することが判明したからである。
【００２４】
取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成るのが良い。さらに、取り出し構造体は、高品質単結晶ダイヤモンド材料からの光の取り出しを増加させるよう位置決めされるのが良い。例えば、取り出し構造体は、収集効率を３倍、４倍、５倍、６倍、７倍、１０倍又は１５倍以上増加させることができる。
【００２５】
本発明の方法により、大きな高品質単結晶ダイヤモンド材料片を形成することができるようにすることによってかかる取り出し構造体を高品質単結晶ダイヤモンド材料中に、上に又はこれによって容易に形成することができる。例えば、本発明の方法を利用することによって、固体浸漬レンズを極めて高い品質の単結晶ダイヤモンド材料、例えば量子等級単結晶ダイヤモンド材料から形成することが可能である。国際公開第２００７／００７１２６号パンフレットは、単結晶ダイヤモンドを滑らかな表面を備えたＳＩＬに形成する方法を開示している。この方法により、大きな単結晶ダイヤモンドＳＩＬ及び／又は高品質単結晶ダイヤモンドのＳＩＬを製造することが容易になる。
【００２６】
本発明によれば、光学素子は、第１の単結晶ダイヤモンド材料層を全く含まないで第２の単結晶ダイヤモンド材料層で作られることが想定される。この場合、最初の成長段階は、高品質単結晶材料の第２の層を成長させる大きなベースを形成するよう機能する。しかしながら、或る特定の好ましい実施形態によれば、光学素子は、第１の層と第２の層の両方の少なくとも一部分で作られる。この場合、取り出し構造体は、少なくとも一部が、第１の単結晶ダイヤモンド材料層で作られた光学素子の部分に形成されるのが良い。かかる実施形態は、特に賢明である。というのは、かかる実施形態の結果として、取り出し構造体の形成中に除去されるべき高品質材料が少なくなると共に／或いは取り出し構造体を光学素子中に形成するのに必要な高品質材料が少なくて済むからである。かかる実施形態により、高級ダイヤモンド材料の一部分及び光取り出し構造体が一体的に組み込まれた状態で形成された低級ダイヤモンド材料の一部分を含む複合ダイヤモンド光学素子が提供される。これにより、取り出し構造体を表面中に形成するほど大きな高品質ダイヤモンド材料片を成長させるのに必要な追加の困難さ、時間及び費用が回避される。取り出し構造体を形成するために相当多くの量の極めて高価な高品質材料を除去する必要性も又回避される。
【００２７】
第１の層は、有利には、０．２５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、１．２５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上又は５ｍｍ以上の厚さまで成長させられる。第１の層が成長しているとき、外部結晶形態学的特徴は、４５°だけ回るのが良い。即ち、単結晶ダイヤモンドは、基体の側部に対して側部が４５°だけ回転し、基体のコーナー部の近くに至る。この回転は、当該技術分野においては周知である。側方成長は、この成長段階中に生じ、ついには、単結晶ダイヤモンドが完全に回転し、その後、それほどの側方成長は生じないようになる。第１の層を第２の層の成長に先立って丸一回転まで成長させ、それにより第１の成長段階において側方成長を最大にし、かくして第２の成長段階において第２の層状における高品質単結晶ダイヤモンド成長のサイズを増大させることが有利である。
【００２８】
上述のことと関連して、化学蒸着技術を用いて第１及び第２の層を成長させる基体のサイズに対して高品質材料の第２の層の側方寸法を最大にすることが望ましいことが明らかであろう。これは、高い窒素濃度を利用して側方ＣＶＤダイヤモンド成長を促進し、次に低い窒素濃度を用いて高品質ダイヤモンド層を形成するよう成長に関する化学的性質を変更することによって達成される。成長に関する化学的性質の変更に加えて、基体の幾何学的形状は、基体に対するＣＶＤダイヤモンド材料のサイズの比を増大させるよう選択されるのが良い。これを達成する特に好ましい一手法は、アスペクト比が少なくとも１．３：１の成長面を備えた単結晶ダイヤモンド基体を利用することである。開始基体の側方寸法と比較して大きな側方寸法を備えるダイヤモンド材料を提供するためのＣＶＤ成長は、かかるアスペクト比を備えた成長面を有するベース基体から達成されるのが良い。例えば、この方法は、単結晶ダイヤモンド材料を成長させるステップを含むのが良く、かかる単結晶ダイヤモンド材料の成長ステップは、（００１）主要面を備えたダイヤモンド基体を提供するステップを含み、主要面は、少なくとも１つの＜１００＞エッジによって境界付けられ、このエッジの長さは、上述の少なくとも１つの＜１００＞エッジに直交する主要面の寸法を少なくとも１．３：１の比だけ超え、単結晶ダイヤモンド材料の成長ステップは、ＣＶＤ合成条件下においてダイヤモンド材料表面の（００１）主要面上にダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させるステップを更に有し、ダイヤモンド材料は、（００１）主要面に垂直な方向とこれから横の方向との両方向に成長する。例えば、基体は、辺の長さａ，ｂ（この場合、ａ＞ｂ）を備えた長方形の基体成長面を提供することができ、アスペクト比ａ／ｂは、１．３以上である。
【００２９】
第２の層の厚さは、有利には、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上、５００μｍ以上又は１ｍｍ以上である。最終の光学素子中に高品質ダイヤモンド材料の十分に大きな部分を提供するよう第２の層を少なくともこれらの厚さまで成長させることが有用である。幾つかの量子用途に関し、単一格子源は、有利には、第１の層の低級材料から０．１μｍ、１μｍ、１０μｍ、１００μｍ、２００μｍ又は５００μｍ以上の距離のところに配置される。というのは、単一格子源に関するＴ２時間を単一格子源に近すぎるところに位置決めされた場合には低級材料の不純物及び欠陥によって減少する場合があるからである。したがって、かかる構成では、第２の層は、好ましくは、単一格子源を低級ダイヤモンド材料から十分に離隔させるほどの厚さのものであるべきである。
【００３０】
１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを単結晶ダイヤモンド材料の第２の層中に成長させるのが良い。変形例として、本発明の方法は、１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを成長後に第２の単結晶ダイヤモンド材料層中に打ち込むステップを更に有しても良い。さらに別法として、この方法は、第３の層を第２の層上に成長させるステップを有しても良い。この場合、１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを第３の層中に設けるのが良い。
【００３１】
上述の方法を利用すると、第１の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分と、第１の部分に結合されていて、第１の単一置換窒素濃度よりも低い第２の単一置換窒素濃度を有する単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分と、光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体とを有する光学素子を製造することができる。
【００３２】
第１及び第２の部分は、光学素子内に第１及び第２の層を形成することができる。光学素子は、好ましくは、単結晶ダイヤモンド材料の第１及び第２の部分並びに取り出し構造体を有する自立型要素である。光学素子中に別のコンポーネントを設けることができる。例えば、ミラー、例えばブラッグミラーを第１の部分と反対側の第２の部分の側部に設けることができる。
【００３３】
好ましくは、取り出し構造体の少なくとも一部分は、低級単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分中に一体に形成される。或る特定の実施形態では、取り出し構造体全体は、低級単結晶ダイヤモンド材料中に形成されても良い。取り出し構造体は、本発明の第１の観点に関して説明した取り出し構造体のうちの任意の１つであって良い。
【００３４】
量子用途に関し、単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下又は０．５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られる。
【００３５】
第１の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度及び０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られるのが良い。例えば、第１の部分は、第２の部分の単一置換窒素濃度の少なくとも５倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍、５００倍、１０００倍又は１００００倍の単一置換窒素濃度を有するのが良い。しかしながら、光学用途に関し、低級材料の窒素濃度は、光学素子にその意図した用途において悪影響を及ぼすほど高いものであってはならない。したがって、単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下又は１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する。低級材料の第１の部分も又、好ましくは、０．９％を超える13Ｃの全濃度を有し、最も好ましくは、12Ｃに対して自然な同位体存在度の13Ｃを有する。同位体富化材料がＴ２時間を増大させるのに量子等級材料にとって有利であるが、これは、高価であり、したがって、量子等級のものであることが必要とはされない光学素子の他の部分について回避するのが良い。したがって、第１の部分と第２の部分とでは異なる13Ｃ濃度を提供することが有利である。
【００３６】
或る特定の実施形態によれば、単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、国際公開第２００４／０４６４２７号パンフレットに開示されているように光学等級材料から成るのが良い。この材料は、光学素子にとって良好な光学特性を保証するよう設けられるのが良い。例えば、単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、低く且つ一様な光吸収率を有するのが良く、その結果、少なくとも０．５ｍｍの指定された厚さのサンプルは、１．０６μｍの波長において０．０９ｃｍ-1又は０．０５ｃｍ-1以下の光吸収形成を有するようになる。
【００３７】
光学素子は、好ましくは、第１の部分と第２の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで作られ、第１の部分と第２の部分は、単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合される。しかしながら、第１の部分と第２の部分がファンデンワールス力により、クランプ装置により又は第１の部分と第２の部分との間に設けられた中間接着剤を介して互いに結合された別個独立の単一結晶である複合光学素子を形成することができることも又想定される。
【００３８】
特に好ましい一実施形態によれば、取り出し構造体は、単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分及び単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分によって形成された凸面であり、第１の部分は、球形キャップを形成し、第２の部分は、球形セグメント又は切頭球状体である。かかる構成は、複合単結晶ダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）を形成することができる。
【００３９】
量子用途の場合、本発明の実施形態の光学素子は、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上又は５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ２を有する１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを更に有するのが良い。１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、ＮＶ-欠陥、Ｓｉ関連欠陥、Ｎｉ関連欠陥及びＣｒ関連欠陥から成る群から選択されるのが良い。スピン欠陥、例えばＮＶ-を当該技術分野において知られているように打ち込み技術により成長させ又は形成するのが良い。成長だけでなく打ち込み及びアニーリングを用いて作られるＮＶ-欠陥と関連した幾つかの際立った特性が存在する。これら特性としては、例えば、７４１ｎｍにおいて空孔中心（ＧＲ１）が存在し、これは、ＮＶ-欠陥を作るための打ち込みルートの副生物である。
【００４０】
１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分中に設けられるのが良い。オプションとして、光学素子は、第１の部分と反対側で第２の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第３の部分を更に有するのが良い。これは、例えば、本発明の第１の観点としての実施形態に従って第３の層を第２の層上に成長させることによって形成されるのが良い。この場合、１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを光学素子内の単結晶ダイヤモンド材料の第３の部分中に設けるのが良い。
【００４１】
特に好ましい構成により、単結晶ダイヤモンド材料の少なくとも一部分を有するダイヤモンド固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）であって、単結晶ダイヤモンド材料は、２０ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度及び０．９％以下の13Ｃの全濃度のうちの一方又は両方を有することを特徴とするダイヤモンドＳＩＬが提供される。低い窒素濃度及び／又は低い13Ｃ含有量を有する高級単結晶ダイヤモンド材料は、単一格子エミッタに関してデコヒーレンス時間を増加させる。さらに、ＳＩＬ構造体は、光の取り出しを増加させる。したがって、この構造体は、量子要素にとって理想的であることが判明した。かかるＳＩＬは、上述の複合光学素子に従って低級単結晶ダイヤモンド材料の一部分を更に有するのが良い。変形例として、ＳＩＬの本体は、高級単結晶ダイヤモンド材料だけで形成され又は少なくとも実質的に又は本質的にこれにより形成されても良い。本発明の第１の観点としての方法を用いてダイヤモンドＳＩＬを形成することができ、この場合、ＳＩＬは、第２の単結晶ダイヤモンド層単独で又は第１の観点に従って成長させた第１の層と第２の層の両方から形成されるのが良い。本発明のこの観点について用いられる材料は、本発明の第１の観点の方法に関して上述した材料及び本発明の第２の観点の複合光学素子と同一であるのが良い。例えば、ＳＩＬは、次の特徴のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良い。
（ａ）ダイヤモンドＳＩＬは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成するのが良い。
（ｂ）ダイヤモンドＳＩＬは、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって、好ましくは｛１１１｝によって、上述の結晶面のうちの１つから１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成された平坦な表面を有するのが良い。
（ｃ）ダイヤモンドＳＩＬの少なくとも一部分は、１５ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下又は５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されるのが良い。
（ｄ）ダイヤモンドＳＩＬは、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上又は５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ２を有する１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを更に有するのが良く、１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、ＮＶ-欠陥、Ｓｉ７３７ｎｍ欠陥、Ｎｉ欠陥、Ｃｒ欠陥及びＣｏ欠陥から成る群から選択されるのが良い。
（ｅ）１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、単結晶ダイヤモンド材料の低Ｎ／低13Ｃ部分中に設けられると共にダイヤモンドＳＩＬの中心回転軸線から３０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下又は５μｍ以下の側方距離のところに配置されるのが良い。
（ｆ）ダイヤモンドＳＩＬは、単結晶ダイヤモンド材料の部分の平坦な側部に結合された単結晶ダイヤモンド材料の層を更に有するのが良く、１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、単結晶ダイヤモンド材料の層中に設けられるのが良い。
【００４２】
固体中の単一原子エミッタの光学検出は、要望に応じた単一格子の発生を含む新技術及び量子情報処理の重要な要素である。かかる原子エミッタの輝度は、通常低く、これらの固有の光物理的パラメータ及び集光光学系の検出ロスによって制限される。金属ナノアンテナ及びフォトニックワイヤマイクロキャビティのようなエンジニアリング光学素子は、単一格子量子インターフェースを設計する上で重要であることが分かっている。本発明は、ダイヤモンド材料をホストとする単一ドーパント中に組み込まれた標準光学素子を用いる新規で簡単な方式を提供する。例えば、量子等級単結晶ダイヤモンド中に固体浸漬レンズを構成することにより、単一窒素空孔欠陥に関する集光効率は、桁違いに向上した。これにより、既存のダイヤモンドを利用した単一格子源の技術改良が提供されると共に単一のスピンを利用したダイヤモンド磁界センサの感度が向上する。
【００４３】
本発明の実施形態では、位置が制御可能な単一欠陥エミッタ、良好な環境（即ち、最小限に抑えられた表面及び他の拡大した損傷及び低い点欠陥密度）における単一エミッタの提供及びこれら単一エミッタからの格子収集の向上が可能である。
【００４４】
図１は、本発明の一実施形態を示しており、この実施形態では、ＣＶＤ技術により基体１２上に窒素をドープした単結晶ダイヤモンド材料の第１の層（Ｎドープト層）１０を成長させ、第１の層１０上に高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層（ＨＰ層）１４を成長させる。点線は、例えばレーザ切断により第１及び第２の層の部分を含むダイヤモンドＳＩＬをどのようにして形成できるかを示している。単一格子エミッタ１６がダイヤモンドＳＩＬの焦点のところ又はその近くに設けられている。
【００４５】
かかる構成は、多段ＣＶＤ成長プロセスを用いて成長させられる。第１の成長段は、プロセス化学的性質への窒素追加を利用する。これは以下の利点、即ち、経済性及び大量生産に影響を及ぼす成長速度の増大、側方成長の増大、最終の構造の幾何学的形状への良好な適合及び初期段階の成長と関連した歪及び問題の減少を提供する。第２の成長段を第１の成長段の後で現場においてか高純度層を窒素ドープト層の頂部上に被着させる再処理段階と一致した停止及び再開によるかのいずれかによって提供することができる。これは、共焦点顕微鏡検査法を用いて改造されるべき単一欠陥と一致した層、良好な材料特性と一致したダイヤモンド材料（即ち、単一の中心が小さな歪、僅かな欠陥、僅かなスピン欠陥を意味する「最適な結晶環境」にある）、単一格子エミッタが長いデコヒーレンス時間を有すると共にスペクトル的に安定するような良好な材料特性が与えられる。
【００４６】
上述のことと関連して、停止及び再開を介してではなく第１の成長段の後の現場で第２の成長段を提供した場合の一利点は、成長段と層相互間の良好な品質のインターフェースとの間に滑らかなプロセス移行が得られることにある。
【００４７】
第１の成長段では、ＣＶＤ反応器内のガス中の窒素含有量は、５ｐｐｍ（百万分率）未満、２ｐｐｍ未満又は１．５ｐｐｍ未満であるのが良い。ＣＶＤ反応器内ガス中の窒素含有量は、３００ｐｐｂ（十億分率）を超え、好ましくは４００ｐｐｂを超え、好ましくは５００ｐｐｂを超え、好ましくは６００ｐｐｂを超え、好ましくは７００ｐｐｂを超え、好ましくは８００ｐｐｂを超え、好ましくは１０００ｐｐｂを超えるのが良い。
【００４８】
多段成長プロセスを利用することによってダイヤモンドのＣＶＤ製造内で制御することができる別の性質は、種々の結晶方向における相対成長速度である。かかる相対成長速度をパラメータαによって特徴付けることができる。パラメータαは、次のように定められる。
2013540198.tif 000003
上式において、Ｒ<001>は、＜００１＞方向における成長速度であり、Ｒ<111>は、＜１１１＞方向における成長速度である。パラメータαを特定のＣＶＤ反応器条件、例えば、ガス圧力、ガス温度、ガスの化学的組成（窒素濃度を含む）及び基体温度によって制御できる。したがって、被着されている単結晶ダイヤモンドの結晶方位（通常、基体の結晶方位によって決まる）を知ることによると共にαに影響を及ぼすＣＶＤ反応器条件のうちの１つを変化させることによって、被着されるダイヤモンドの幾何学的形状の進展に対して何らかの制御を及ぼすことができる。第１の成長段に関するパラメータαは、１．４〜２．６、１．６〜２．４、１．８〜２．２又は１．９〜２．１であるのが良い。
【００４９】
窒素含有量は、パラメータαに影響を及ぼす。第１の成長段中、窒素が存在していると、これにより転位の形成が最小限に抑えられると共に＜１００＞方向に沿う成長が促進される。したがって、主要な｛１００｝成長結晶面及び｛１００｝側部結晶面を備えた基体を用いた場合、ホモエピタキシャル成長時、被着ダイヤモンドは、主要成長面が基体の成長面よりも大きくなるよう成長することが可能である。ＣＶＤ反応器内のガスの窒素含有量が減少すると、側方成長速度が減少するが、この拡大成長面上への別の被着が起こる。このことは、本発明の実施形態のＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料を被着させるために用いられる次の段が基体の寸法に一致するよう拘束されていない寸法を有することを意味している。１つの段から次の段への移行は、本発明の実施形態の高純度ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料を生じさせる成長段に先立つ成長段が成長面積の所望の増大を達成したときに起こるよう選択可能である。
【００５０】
高純度ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料の被着前に成長面積をこのように増大させることができるということにより、その結果として、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料は、通常利用されている基体と比較して、減少した転位密度、減少した窒素含有量及び増大した寸法を有する。
【００５１】
第２の成長段では、ＣＶＤ反応器内のガス中の窒素含有量は、２５０ｐｐｂ未満、好ましくは２００ｐｐｂ未満、好ましくは１５０ｐｐｂ未満、好ましくは１２０ｐｐｂ未満であるのが良い。ＣＶＤ反応器内のガス中の窒素含有量の減少の結果として、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料中の窒素含有量が減少し、したがって吸収係数が低くなると共にデコヒーレンス時間が長くなる。ＣＶＤ反応器ガス中の窒素含有量は、０．００１ｐｐｂを超え、０．０１ｐｐｂを超え、０．１ｐｐｂを超え、１ｐｐｂを超え又は１０ｐｐｂを超えるのが良い。
【００５２】
第２段の成長プロセスは、高い化学的純度に加えて高い同位体純度の原料ガスを用いるのが良い。例えば、炭素原料ガスは、９９％、９９．３％、９９．６％、９９．９％、９９．９９％又は９９．９９９％以上であるよう増大した12Ｃフラクションを有するのが良い。これにより、単一格子エミッタのデコヒーレンス時間を一段と長くすることができる。ガス組成物は、色中心の形成又はこれらの電荷安定化に関連した他の不純物、例えば珪素又は亜リン酸を更に含む場合がある。しかしながら、低窒素濃度に加えて或る特定の実施形態によれば、第２の成長段は、好ましくは、第２の層が好ましくは、１００ｐｐｂ以下の硼素濃度、１００ｐｐｂ以下の珪素濃度、１ｐｐｍ以下の常磁性欠陥の濃度、５ｐｐｍ以下の任意の単一非水素不純物の濃度、窒素及びその同位体を除く１０ｐｐｍ以下の全不純物含有量及び単結晶ダイヤモンドホスト材料中の１０18ｃｍ-3以下の水素不純物の濃度のうちの１つ又は２つ以上を有することができるようＣＶＤ成長の間に単結晶ダイヤモンド中に混入される場合のある極めて低い濃度の他の不純物を更に有する。高純度材料は又、好ましくは、低い転位濃度を有する。例えば、高純度単結晶ダイヤモンド材料は、１０6転位ｃｍ-2、１０4転位ｃｍ-2、３×１０3転位ｃｍ-2、１０3転位ｃｍ-2、１０2転位ｃｍ-2又は１０転位ｃｍ-2以下の転位束密度を有するのが良い。これは、注意深い基体の調製及びもし上述したように構成しなければ高純度単結晶ダイヤモンドの第２の層中に伝搬する転位の形成を阻止するための第１の成長段における窒素の使用によって達成できる。
【００５３】
また、低い表面粗さＲｑを達成するようダイヤモンドホスト材料の表面を処理することが望ましい。国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されているように、ホスト材料として本発明の合成ダイヤモンド材料を用いて高いＴ２値及び高いスペクトル安定性を得ることができ、この場合、量子スピン欠陥は、かかる処理済み表面から１００μｍの以下の距離を置いたところに位置決めされるべきである。本発明の実施形態によれば、量子スピン欠陥は、好ましくは、かかる処理済み表面から１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ、好ましくは２０μｍ、好ましくは１０μｍ、好ましくは１μｍ、好ましくは５００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ又は好ましくは１０ｎｍの距離のところに位置決めされるべきである。量子スピン欠陥のこの位置決めは、量子スピン欠陥を例えば導波路への光結合によって特徴付けると共に「読み出す」ことができるよう最終用途にとって容易に接近可能であることを意味している。かくして、量子等級単結晶ダイヤモンド中に量子スピン欠陥（単一格子源）を形成することが有利であり、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、中心が量子スピン欠陥の形成される場所の最も近くに位置する表面上の点上に位置する半径が約５μｍの円によって定められる領域内の単結晶ダイヤモンドの表面粗さＲｑが約１０ｎｍ、５ｎｍ、１ｎｍ又は０．５ｎｍ以下であるよう処理される。この表面は、量子スピン欠陥の形成前又は形成後に処理されるのが良い。本明細書において説明するＳＩＬ構成例では、量子スピン欠陥は、平坦な表面の中央のところ又はその近くのＳＩＬの平坦な表面の近くに形成される。したがって、平坦な表面は、少なくとも低い表面粗さを有するよう量子スピン欠陥に隣接した部分が処理されるべきである。
【００５４】
量子スピン欠陥の近くの表面のところの表面粗さが小さいことに加えて、表面下損傷が量子スピン欠陥／単一格子エミッタの近くでは低いようにすることも又有用である。表面下欠陥をエッチングによって、例えばプラズマエッチングを用いて減少させることができる。また、ダイヤモンドが量子スピン欠陥に悪影響を及ぼすような仕方で相互作用する種を末端基とはしないようにするよう量子スピン欠陥の近くでダイヤモンド表面のところの末端の形式を制御することが有用な場合がある。さらに、量子スピン欠陥の近くのダイヤモンド表面がゼロではないスピンを有する種、例えば窒素以外のスピンゼロ種、例えば酸素を末端基とするようにすることが有用な場合がある。
【００５５】
また、光学性能を向上させるために低い表面粗さを有するよう取り出し構造体の表面を処理することが有利である。国際公開第２００７／００７１２６号パンフレットは、低い表面粗さを備えたＳＩＬを形成する方法を開示している。ＳＩＬの凸面は、以下に記載する性質のうちの少なくとも１つ、好ましくは２つ、より好ましくは３つ、より好ましくは４つ、最も好ましくは５つを有するのが良い。
（ｉ）凸面は、完全な球形セグメントからの山から谷までの最大偏差が約５μｍ以下、より好ましくは約３μｍ以下、更により好ましくは約２μｍ以下、より好ましくは約１．５μｍ以下、より好ましくは約１μｍ以下、より好ましくは約５００ｎｍ以下、更により好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは約２００ｎｍ以下、更により好ましくは約１００ｎｍ以下、更により好ましくは約５０ｎｍ以下、最も好ましくは２０ｎｍ以下であるように球形セグメントを含む。
（ｉｉ）凸面は、球形セグメントを含み、球形セグメントの二乗平均（ＲＭＳ）偏差が理想的な級から球形セグメントについて偏差の二乗について平均することにより測定して、約５００ｎｍ以下、より好ましくは約２１０ｎｍ以下、より好ましくは約１００ｎｍ以下、更により好ましくは約６０ｎｍ以下、更により好ましくは約４０ｎｍ以下、より好ましくは約２０ｎｍ以下、最も好ましくは約１０ｎｍ以下である。
（ｉｉｉ）凸面は、約３０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ、より好ましくは５ｎｍ、更により好ましくは３ｎｍ、より好ましくは１．５ｎｍの二乗平均表面粗さ（アイ・エム・ハッチングス（I M Hutchings），「トライボロジー（Tribology）」，エドワード・アーノルド（Edward Arnold）出版，１９９２年，ｐ８‐９に定義のＲｑ）を有する。
（ｉｖ）凸面の曲率半径は、約２０ｍｍ以下、好ましくは約１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下、更により好ましくは約２ｍｍ以下、更により好ましくは約１ｍｍ以下、更により好ましくは約０．５ｍｍ以下、更により好ましくは約０．２ｍｍ以下である。
（ｖ）凸面は、約１０°以上、好ましくは約２０°以上、より好ましくは約４０°以上、更により好ましくは約６０°以上、より好ましくは約８０°以上、更により好ましくは約９０°以上、更により好ましくは約１１０°以上、より好ましくは約１３０°以上、最も好ましくは約１６０°以上の円錐半角を備えた球形セグメントを含む。
【００５６】
単一格子エミッタを多種多様な仕方で製造することができる。例えば、ＳＩＬを形成する処理に先立って単一格子エミッタを成長させることができ、ＳＩＬの平坦部の製作に続き（ＳＩＬの丸形部分を研磨する前又は研磨した後）に単一格子エミッタを打ち込んでも良く、或いは、既に処理された（研磨前又は研磨後）ＳＩＬの平坦部上に単一格子エミッタを薄い層の状態で成長させることができる。
【００５７】
ＳＩＬの平坦なフェースを以下の結晶面、即ち、｛１００｝、｛１１０｝、｛１１１｝、｛１１３｝のうちの１つによって形成されるのが良く又は実質的にこれら平面のうちの１つに近いのが良い（例えば、上述の結晶面のうちの１つから１０°以下、８°、５°、２°、１°又は０．５°）。｛１１１｝平面が好ましい。というのは、かかる向きにより、光の取り出しが増加することが判明しているからである。ブラッグミラーがＳＩＬの平坦な表面に取り付けられ、被着され又はエッチングされるのが良い。さらに、ＳＩＬは、第２の層に被着された単結晶ダイヤモンドの第３の層（図示せず）を有するのが良い。第３の層を現場で又は停止及び１つ又は２つ以上の処理ステップ、例えば別の成長段のための成長面を調製するためのプラズマエッチング後に成長させることができる。第３の層は、窒素がドープされると共に／或いは同位体的に富化されるのが良い。また、本明細書において説明する３つの成長段の前、間又は後に別の成長段を設けることができる。
【００５８】
図２は、図１に類似した構成例を示しているが、複数の単一格子エミッタがダイヤモンドＳＩＬのベースの近くに線をなして設けられている。図３は、ダイヤモンドＳＩＬがもっぱら、高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層から形成されている変形実施形態を示している。図４は、複数のダイヤモンドＳＩＬが高純度単結晶ダイヤモンド材料の第２の層から形成されている別の変形実施形態を示している。これら全ての図において、上述の参照符号が同一の部分について用いられている。
【００５９】
図５は、光学素子がダイヤモンドＳＩＬ中に形成されるのではなく、回折格子１８を備えた別の実施形態を示している。この構成例では、光学素子は、第１及び第２の層１０，１４の一部分から形成され、回折格子１８が第１の層中に形成されている。点線で表された構造が単結晶ダイヤモンド及び処理済み表面のバイレーヤ（二重層）から切断形成されるのが良い。
【００６０】
測定技術
【００６１】
中性電荷状態の［Ｎs0］含量は、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）を利用して測定し得る。この方法は技術上周知であるが、完全を期してここに要約する。ＥＰＲを用いて行われる測定では、特定の常磁性欠陥（例えば中性単置換型窒素欠陥）の存在量は、当該中心に由来する全てのＥＰＲ吸収共鳴線の積分強度に比例する。このため、マイクロ波力飽和の影響を阻止し又は補正することに気を付けるという条件で、その積分強度を基準サンプルから観察される積分強度と比較することによって、欠陥の濃度を決定することができる。連続波ＥＰＲスペクトルは磁場変調を用いて記録されるので、ＥＰＲ強度、ひいては欠陥濃度を決定するためには二重積分が必要である。二重積分に伴う誤差を最小限にするため、基線補正、積分の有限極限など、特に重なりＥＰＲスペクトルが存在する場合には、スペクトルフィッティング法（ネルダー‐ミード（Nelder-Mead）シンプレックスアルゴリズム（ジェイ・エー・ネルダー（J. A. Nelder ）及びアール・ミード（R. Mead）、ザ・コンピュータ・ジャーナル（The Computer Journal），７，１９６５年，３０８を用いる）を利用して、問題のサンプルに存在するＥＰＲ中心の積分強度を決定する。これは、サンプルに存在する欠陥のシミュレートしたスペクトルによる実験スペクトルのフィッティング及び該シミュレーションからそれぞれの積分強度を決定することを必要とする。実験的には、ローレンツ型（Lorentzian）線形もガウス型（Gaussian）線形も実験ＥＰＲスペクトルに良くフィットしないことが観察されるので、ツァリス（Tsallis）関数を用いてシミュレートスペクトルを生成する（デー・エフ・ホワース（D. F. Howarth），ジェイ・エー・ウェイル（J. A. Weil），ジー・ジンペル（Z. Zimpel），ジャーナル・マグネチック・レゾナンス（J. Magn, Res.），１６１，２００３年，２１５）。さらに、低い窒素濃度の場合、変調増幅アプローチを利用するか又はＥＰＲ信号の線幅を超えて良い信号対雑音比を達成する（合理的な時間枠内で正確な濃度決定を可能にする）必要があることが多い。したがって、記録されたＥＰＲスペクトルに良くフィットさせるため、ツァリス（Tsallis）線形と共に、疑似変調を利用する（ジェイ・エス・ハイド（J. S. Hyde），エム・パセンキヴィッチ‐ギェルラ（M. Pasenkiwicz-Gierula），アー・イェスマノヴィッチ（A. Jesmanowicz），ダブリュ・イー・アンソライン（W. E. Antholine），アプライド・マグネチック・レゾナンス（Appl. Magn. Reson），１，１９９０年，４８３）。この方法を用いて、±５％より良い再現性で濃度（ｐｐｍ）を決定することができる。
【００６２】
本発明の合成ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料中に存在する中性電荷状態の単一置換窒素の濃度も又、ＵＶ‐可視吸収分光法を用いて２７７ｎｍピークの使用により測定できる。ＵＶ‐可視吸収分光法の技術は、当該技術分野においては周知である。
【００６３】
合成ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料中の中性電荷状態の単一置換窒素の濃度は、１３３２ｃｍ-1及び１３４４ｃｍ-1の波数で赤外線吸収ピークを測定することによって分かる。解像度が１ｃｍ-1の分光法を用いると、１３３２ｃｍ-1及び１３４４ｃｍ-1でのピークに関してｃｍ-1で表された吸収ケースの値と正に帯電した状態及び中性状態の単一窒素の濃度との間の変換係数は、それぞれ、５．５（エス・シー・ローソン等（S. C. Lawson et al.），ジャーナル・フィジックス・コンデンス・マター（J. Phys. Condens. Matter），１０，１９９８年，６１７１‐６１８１）及び４４である。しかしながら、注目されなければならないこととして、１３３２ｃｍ-1ピークに由来する値は、上限に過ぎない。
【００６４】
変形例として、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて窒素の全濃度を求めることができる。ＳＩＭＳは、約０．１ｐｐｍのダイヤモンド中の窒素に関しての検出下限を有し、その使用は、当該技術分野においては周知である。ＣＶＤ法によって作製される合成ダイヤモンドの場合、固体中に存在する窒素の大部分は、中性単一置換窒素の形態をしており、したがって、全窒素濃度のＳＩＭＳ測定は、中性電荷状態の単一置換窒素の濃度に上限を不可避的にもたらすが、かかるＳＩＭＳ測定は又、代表的には、その実際の濃度の妥当な推定を提供する。
【００６５】
高感度アバランシェ光検出器及び励起源としての５３２ｎｍレーザを備えた共焦点顕微鏡を用いて単一ＮＶ中心の蛍光を測定することができる。単一色中心の蛍光を散乱及び反射レーザ光から分離するため、ロングパスフィルタ（６５０ｎｍ）を検出チャネル内に配置するのが良い。能動安定化ピエゾ段を用いてＳＩＬの走査を実施することができる。周囲条件下において実験を実施するのが良い。この場合、簡単な計数法を用いてＮＶ-の濃度を求めるのが良い。この技術は、ＮＶ-中心の濃度を代表的な１０13ｃｍ-3未満のレベルで計算するのに有用である。或る場合には（一様な濃度が存在する場合）、ＮＶ-欠陥のＥＰＲシグナチュアであるＷ１５ＥＰＲ中心を用いたアンサンブルＥＰＲ測定法を利用して高い濃度を測定することができる。
【００６６】
実施例合成
【００６７】
（００１）の約５°の範囲内の１対のほぼ平行な主要面を備えた合成型１ｂＨＰＨＴダイヤモンドプレートを選択した。このプレートを以下のステップを含む方法によって単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のホモエピタキシャル合成に適した正方形基体の状態に作製した。
ｉ）基体をレーザ切断して全て＜１００＞エッジを備えたプレートを作製し、
ｉｉ）成長が起こる予定の主要表面をラップ仕上げすると共に研磨し、ラップ仕上げされると共に研磨された部分は、全ての結晶面｛１００｝を備えた厚さ５３５μｍの約３．６ｍｍ×３．６ｍｍの寸法を有している。
【００６８】
基体表面のところ又はこれよりも下に位置する欠陥レベルは、欧州特許第１，２９２，７２６号明細書、及び同第１，２９０，２５１号明細書に開示されているように基体の注意深い調製によって最小限に抑えられる。露呈（revealing）プラズマエッチングを用いることによりこの方法によって導入された欠陥レベルを露呈させることができる。露呈エッチング後に測定可能な欠陥の密度が主として材料の品質に依存し、５×１０3ｍｍ-2未満、一般的には１０2ｍｍ-2未満である基体を作製することが慣例的に可能である。基体を基体キャリヤに取り付けた。次に、基体及びそのキャリヤをＣＶＤ反応器チャンバ内に導入し、ガスを以下のようにチャンバ内に送り込むことによってエッチング及び成長サイクルを開始させた。
【００６９】
先ず最初に、現場酸素プラズマエッチングを１６５トル圧力及び８０３℃の基体温度で実施し、次に、水素エッチングを行い、酸素をこの段階でガス流から除去した。次に、第１段成長プロセスを４０ｓｃｃｍ（毎分標準立方センチメートル）でメタンの追加によって開始させた。窒素を加えて気相中に７００ｐｐｂのレベルを達成した。水素は又、プロセスガス中にも存在した。この段階での基体温度は、８６６℃であった。次に、メタン含有量を１７５ｓｃｃｍまで増大させた。これら成長条件は、先のテストランに基づいて２．０±０．２の範囲のαパラメータ値を与えるよう選択された。
【００７０】
段階１の実施後、成長層は、厚さ１．７ｍｍに達し、気相に追加された窒素を除去することによって段階２の成長を開始させた。段階２の成長層が厚さ０．９ｍｍに達した後、成長を終了させた。
【００７１】
成長したＣＶＤダイヤモンドプレートの研究結果として明らかになったことは、この成長したＣＶＤダイヤモンドプレートには（００１）結晶面にツイン及びクラックが実質的になく、＜１１０＞側部によって境界付けられ、ツイン自由頂部（００１）結晶面の合成後寸法を５．４ｍｍ×５．４ｍｍまで増大させた。
【００７２】
次に、ＣＶＤダイヤモンド材料を国際公開第２００７／００７１２６号パンフレットに記載された方法の使用によりダイヤモンドＳＩＬに加工した。
【００７３】
分析
【００７４】
理論的分析
【００７５】
幾何光学及びフレネルの反射の法則を用いてダイヤモンド中の単一エミッタからの格子収集効率を一次集光光学系として用いられたダイヤモンドＳＩＬを用いた又は用いないで計算した。平坦なダイヤモンド表面に平行に差し向けられた単一放出ダイポールの場合、ｓ（resp. p）偏光を有する標準化フォトルミネセンス強度Ｉs（resp. Ip）は次のように書き表せる。
2013540198.tif 000004
上式において、θは、放出角度であり、φは、ダイポール軸から測定した方位角である。
【００７６】
平坦なダイヤモンド表面の下のダイポールは、図６ａに示されている。ダイヤモンドインターフェースのところでは、スネルの法則により、ｎdｓｉｎθ＝ｎcｓｉｎθcであり、この場合、ｎdは、ダイヤモンド母材の屈折率であり、θcは、集光光学系媒体中の伝搬角度であり、屈折率ｎcで特徴付けられる。その結果、フォトルミネセンスの大部分は、ダイヤモンド母材内に捕捉される。というのは、θ≧θTIR＝ａｒｃｓｉｎ（ｎc／ｎd）になるやいなや全反射が達成されるからである。ダイヤモンド‐空気インターフェース（ｎc＝１且つｎd＝２．４）の場合、θTIR≒２４．６°である。
【００７７】
集光光学系の開口数ＮＡにより定められた立体角について積分することにより集光効率ηs及びηpが得られ、その結果、次式が成り立つ。
2013540198.tif 000005
上式において、θm＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ηd）であり、但し、Ｔs及びＴpは、それぞれ、インターフェースを介するｓ及びｐ偏光成分の透過係数である。かかる透過係数は、次のフレネルの式により与えられる。
2013540198.tif 000006
【００７８】
一次集光光学系として用いられた半球形ダイヤモンドＳＩＬの中心のところに位置するダイポールが図６ｂに示されている。この場合、全ての光線は、ＳＩＬからその表面に垂直な方向に出射し、かくして、インターフェースのところでの屈折効果が回避される。その結果、集光系効率ηs，ηpは、式（３）及び式（４）により定められ、但し、θm＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）を用いると共に次式が成り立つ。
2013540198.tif 000007
【００７９】
コンピュータ計算された集光効率は、ダイヤモンド母材内のダイポールの向きで決まる。ＮＶ-欠陥の場合、フォトルミネセンスは、ＮＶ-欠陥対称軸に垂直な平面内に位置する２つの互いに直交するダイポールＤx，Ｄyと関連している（図６に示されているような｛１１１｝結晶軸である）。加うるに、２つの移行ダイポールの絶対方位をダイヤモンド母材中の非軸局部歪の方向によって定める。局部歪がダイヤモンドサンプル上にランダムに分布して位置しているので、２つの直交するダイポールの方位は、ＮＶ-欠陥対称軸に垂直な平面内でランダムである。
【００８０】
以下において、［１００］方位ダイヤモンドサンプルを考察する。かかる結晶方位の場合、ＮＶ-欠陥軸線と平坦なダイヤモンド表面との間の絶対角は、４つの考えられるＮＶ-欠陥方位について同一である。式（３）及び式（４）を用いて、平坦なダイヤモンド平面上の２つの互いに直交するダイポールの投影像を考慮しながら集光効率を評価した。２つのダイポール及び考えられる全ての歪により誘起される方位の平均を取った。計算結果が図６ｄに示されている。０．８５‐ＮＡ顕微鏡対物レンズを用いると、集光効率は、平坦なダイヤモンド表面について２．６％であり、半球形ダイヤモンドＳＩＬの中心のところに位置した単一のＮＶ-欠陥を考慮すると、１９．６％に達する。これら単一の幾何学的考察から、集光光学系の特定のＮＡについて集光効率の７．５倍の向上が期待される。
【００８１】
実験的分析
【００８２】
図７ａに示されているダイヤモンドＳＩＬを作製するのに本発明のマイクロ波支援化学蒸着法を用いて調製されたウルトラピュア合成型ＩＩａダイヤモンド結晶を研磨した。
【００８３】
図７ｂに示されているように従来型共焦点顕微鏡検査法を用いてダイヤモンドＳＩＬ中の負の単一のＮＶ-欠陥を画像化した。図７ｂに示されている実験セットアップは、次のコンポーネント、即ち、５％反射率の石英板（ＢＳ）、０．８５開口数の顕微鏡対物レンズ（Ｏ）、５０μｍ直径のピンホール（ＰＨ）、５８０ｎｍロングパスフィルタ（Ｆ）及び集められたフォトルミネセンスを背面照明冷却ＣＣＤマトリックスを備えたイメージング分光計（アクトン・リサーチ（Acton research）社）又は５０／５０ビームスプリッタの出力ポート上に配置された２つのシリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）から成るハンブリー‐ブラウン及びツワイス（Hanbury-Brown and Twiss）干渉計に差し向けるフリップミラー（ＦＭ）を有している。
【００８４】
０．８５‐ＮＡ顕微鏡対物レンズを通してダイヤモンドＳＩＬの平坦な表面上に波長λ＝５３２ｎｍで動作するレーザを厳密に集束させた。一次集光光学系としてＳＩＬを用いて同一の対物レンズによってフォトルミネセンスを集め、そして５８０ｎｍロングパスフィルタを用いて残りのポンプ光からスペクトル的にフィルタ処理した。次に、集めた光を５０μｍ直径のピンホール上に集束させ、そして格子相関測定のために用いられる分光計又はハンブリー‐ブラウン及びツワイス（ＨＢＴ）干渉計に差し向けた。
【００８５】
ダイヤモンドＳＩＬの中心の近くの領域のフォトルミネセンスラスタ走査が図７ｃに示されており、図７ｃは、隔離されると共に明るいフォトルミネセンススポットを示している。この図は、２００μＷのレーザ出力の場合のダイヤモンドＳＩＬの中心の近くの領域の典型的なラスタ走査結果を示している。フォトルミネセンス強度をサイドスケールで符号化し、明るいスポットは、１００：１のオーダの信号対バックグラウンド比で画像化された単一ＮＶ-欠陥を示している。
【００８６】
この点のところで記録されたフォトルミネセンススペクトルは、特徴的なゼロフォトンラインが波長λZPL＝６３７ｎｍのところに位置する広帯域エミッションを示しており、この特徴的なゼロフォトンラインは、ダイヤモンド中の負に耐電したＮＶ-欠陥のスペクトルシグナチュアである。光学収差を共焦点ラスタ走査で明確に観察することができる。というのは、明るいスポットの形状は、完全には円ではないからである。かかる収差は、ＮＶ-欠陥存在場所とダイヤモンドＳＩＬの中心との間の約１０μｍのギャップに起因している。したがって、少なくとも１つの単一格子エミッタをダイヤモンドレンズ、例えばダイヤモンドＳＩＬの回転中心軸線から３０μｍ以下、２０μｍ、１０μｍ又は５μｍの側方距離のところに配置することが有利である。最も好ましくは、単一格子エミッタは、ダイヤモンドＳＩＬの回転中心軸線上に又はほぼこの上に位置決めされる。
【００８７】
単一格子エミッタの位置と取り出し構造体との正確な位置合わせを達成する考えられる一手法は、例えば正確な打ち込み法を用いることによって単一格子エミッタを注意深く位置決めすることである。変形例として、単一格子エミッタの識別／配置をダイヤモンド材料で行い、次に、取り出し構造体を形成して単一格子エミッタと正確に位置合わせするのが良い。例えば、単一格子エミッタをＣＶＤ成長プロセス中にダイヤモンド材料中に形成するのが良い。次に、単一格子エミッタの位置を成長後に定めるのが良く、取り出し構造体、例えばレンズ（例えば、ダイヤモンドＳＩＬ）を形成して単一格子エミッタと位置合わせするのが良い。
【００８８】
標準型ＨＢＴ干渉計を用いて２つの連続して位置する単一格子検出相互間の時間遅延のヒストグラムを記録することによって放出された格子の統計量を調査した。ポアソンの統計量への標準化後、記録したヒストグラムは、次式によって定められる２次自己相関関数ｇ（２）（τ）の測定値と同等である。
2013540198.tif 000008
上式において、Ｉ（ｔ）は、時刻ｔにおけるＰＬ強度である。図７ｅに示されているように、明白な自己相関効果ｇ（２）（０）≒０．１が、ゼロ遅延で明らかにされ、この効果は、単一ＮＶ-欠陥に対処するシグナチュアである。
【００８９】
一次集光光学系としてダイヤモンドＳＩＬを用いながら集光効率の向上を定量化する目的で、フォトルミネセンス率Ｒをレーザ出力Ｐの関数として測定した。次に、実験データを簡単な２レベルモデルを用いて次の関係式に当てはめた。
2013540198.tif 000009
上式において、Ｐsatは、飽和レーザ出力であり、Ｒ∞は、飽和状態における放出率である。ダイヤモンドＳＩＬを介して画像化された研究対象の単一ＮＶ-欠陥の場合、飽和パラメータは、Ｒ∞SIL＝４９３±５ｋｃｏｕｎｔｓ．ｓ−１及びＰsatSIL＝６１±１μＷである。次に、同じ実験をＳＩＬの後側から画像化された即ち、平坦なダイヤモンド平面を介して画像化された単一ＮＶ-欠陥について実施した。この構成では、飽和パラメータは、Ｒ∞noSIL＝８０±２ｋｃｏｕｎｔｓ．ｓ−１及びＰsatnoSIL＝１３３０±３０μＷである。
【００９０】
図８は、レーザ出力の関数としてのバッググラウンド補正フォトルミネセンス（ＰＬ）強度を示している。この図は、ダイヤモンドＳＩＬを介すると共に平坦なダイヤモンド平面を介して画像化された単一ＮＶ-欠陥についての結果を示している。線は、式（８）を用いて当てはめられたデータである。信号とバックグラウンドの比は、６０μＷの励起電力の場合１００のオーダのものである。
【００９１】
したがって、一次集光光学系としてダイヤモンドＳＩＬを用いながら６倍の向上が達成されている。かかる値は、簡単な幾何学的光学議論（図６で参照）により予測される値よりも僅かに小さい。この不一致は、ダイヤモンドＳＩＬの中心へのＮＶ-欠陥の不完全な位置決めに起因して生じる光学収差の原因となっている。本発明者の注目するところによれば、同様な集光効率の向上がＳＩＬの中心から約１０μｍ離れたところに位置する２つの他の単一ＮＶ-欠陥について得られた。この距離が３０μｍを超える場合、向上結果がなくなる。ＳＩＬの中心のところのＮＶ-欠陥の正確な位置決めは、イオン打ち込み技術を用いて達成できる。加うるに、集光効率は、半球面に被着された反射防止膜を用いると共にＳＩＬの平坦な表面に被着された正しく設計されているブラッグミラーを用いることによって一段と向上させることができ、その目的は、後方に放出された格子を集めることにある。
集光効率の向上を超えて、ダイヤモンドＳＩＬを介する励振に勝って励振レーザの良好な収束が行われ、かくして僅かな励振体積が得られることが注目された。確かに、飽和レーザ出力Ｐsatは、ダイヤモンドＳＩＬを介して単一ＮＶ-欠陥を励起させながらほぼ一桁だけ減少する。この効果は、ＳＴＥＤ（stimulated emission depletion）顕微鏡との関係で興味深い用途を有する。というのは、ＳＴＥＤの解像力は、次式に比例するからである。
2013540198.tif 000010
【００９２】
最後に、一次集光光学系として用いられるダイヤモンドＳＩＬの幾何学的形状は、単一ＮＶ-欠陥のスピン操作にとって何ら制限を与えることはないということが示されている。ダイヤモンドＳＩＬを幾何学的形状を図９に示されているようにマイクロ波ストリップライン上に固定しながら単一ＮＶ-欠陥の電子スピン共鳴を進めた。負に帯電したＮＶ-欠陥の場合、基底状態は、スピンサブレベルｍs＝０とｍs＝±１との間のゼロフィールド分割Ｄgs＝２．８７ＧＨｚのスピントリプレット状態3Ａである。フォトルミネセンス強度は、ｍs＝０状態がポピュレートされたときには高く、それにより、光学的に検出される磁気共鳴（ＯＤＭＲ）により単一ＮＶ-中心のスピン回転の光学的検出が可能である。ＯＤＭＲは、フォトルミネセンス強度をモニタしながらストリップラインを介してマイクロ波を加えることによって記録された。マイクロ波周波数がｍs＝０とｍs＝±１基底状態サブレベル相互間の移行と共鳴状態にあるとき、図９に示されているようにフォトルミネセンス信号の一時的減少としてスピン回転が証拠づけられる。
【００９３】
本発明を好ましい実施形態に関して図示すると共に具体的に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部の種々の変更を行うことができることは当業者には理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月27日(2013.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子であって、
第１の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分を有し、
前記第１の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分を有し、前記第２の部分は、前記第１の単一置換窒素濃度よりも低い第２の単一置換窒素濃度を有し、
前記光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有し、
前記第１の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度及び０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られ、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下又は１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有し、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下又は０．５ｐｐｂ以下の単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られている、光学素子。
【請求項２】
前記取り出し構造体は、前記光学素子のダイヤモンド表面中に形成され、それにより、前記取り出し構造体は、前記光学素子の前記ダイヤモンド表面により一体に形成さていれる、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記取り出し構造体の少なくとも一部分は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分中に一体に形成されている、請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、｛１００｝；｛１１０｝；｛１１１｝；｛１１３｝のうちの１つによって又は前記結晶面のうちの１つから１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成されている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項５】
前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び／又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、｛１１１｝結晶面によって１０°、８°、５°、２°、１°又は０．５°の範囲内に形成されている、請求項４記載の光学素子。
【請求項６】
前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成る、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２の部分は、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上又は５００μｍ以上の厚さを有する層から成る、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の部分は、前記第２の部分の単一置換窒素濃度の少なくとも５倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍、５００倍、１０００倍又は１００００倍の単一置換窒素濃度を有する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の部分は、０．９％を超える13Ｃの全濃度を有する、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１の部分は、12Ｃに対して13Ｃの自然同位体存在度を有する、請求項９記載の光学素子。
【請求項１１】
前記光学素子は、前記第１の部分と前記第２の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで作られ、前記第１の部分と前記第２の部分は、前記単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合されている、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記取り出し構造体は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第１の部分及び前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分によって形成された凸面であり、前記第１の部分は、球形キャップを形成し、前記第２の部分は、球形セグメントを形成している、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記取り出し構造体は、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）を形成している、請求項１２記載の光学素子。
【請求項１４】
０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上又は５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ２を有する１つ又は２つ以上の単一格子エミッタを更に有する、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の第２の部分中に設けられている、請求項１４記載の光学素子。
【請求項１６】
前記第１の部分と反対側で前記第２の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第３の部分を更に有する、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記１つ又は２つ以上の単一格子エミッタは、前記第３の部分中に設けられている、請求項１６記載の光学素子。
【請求項１８】
前記光学素子は、自立型光学素子である、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の光学素子。
【国際調査報告】
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