(57)【要約】  合成ダイヤモンド材料は、表面を含み、表面は、第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域を含む。第２の表面領域は、所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置され、第２の領域は、第２の量子スピン欠陥濃度を含む。第１の量子スピン欠陥濃度は、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高く、第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方は、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む。合成ダイヤモンド材料を製造する方法も開示される。
2021512219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、
第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域、
所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置された、第２の量子スピン欠陥濃度を含む、第２の表面領域であって、第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高い、第２の表面領域
を含み、
第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方が、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む、合成ダイヤモンド材料。
【請求項２】
量子スピン欠陥が、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、請求項１に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項３】
量子スピン欠陥が、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-である、請求項１に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項４】
第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項５】
表面が、実質的に平坦な表面である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項６】
第１の量子スピン欠陥濃度が、１ｘ１０13欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０14欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０15欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより高い、請求項１〜５のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項７】
第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度が、４ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、２ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、または１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより低い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項８】
量子スピン欠陥が、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間Ｔ2を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項９】
複数の第１の表面領域をさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１０】
平坦な前面の下の、第１の領域の深さが、１００ｎｍ〜１００μｍである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１１】
表面が、ホウ素を含む第３の表面領域をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１２】
第２の表面領域が、第１の表面領域を取り囲んでいる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、
前面を有する合成ダイヤモンド基材を用意するステップ、
化学蒸着法を用いて、単結晶ダイヤモンド基材の前面上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
合成ダイヤモンド基材の前面を処理して、ダイヤモンド基材材料の第２の表面領域に隣接した、さらなるダイヤモンド材料の第１の表面領域を有する検知表面を形成するステップであり、さらなるダイヤモンド材料の量子スピン欠陥濃度が、合成ダイヤモンド基材材料の量子スピン欠陥よりも少なくとも１０倍高い、形成するステップ
を含む、方法。
【請求項１４】
ダイヤモンド基材の前面に、少なくとも１個の凹部を形成するステップ、
凹部において、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
さらなるダイヤモンド材料を処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
エッチング、マスクエッチング、研削、および研磨のいずれかによって、凹部を形成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
１００ｎｍ〜１００μｍの深さを有する凹部を形成するステップを含む、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前面上に、少なくとも１個の開口部を有するマスクを配置するステップ、
前面上で、選択された範囲でさらなるダイヤモンド材料を成長させるように、マスク上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
マスクを取り除くステップ、
前面上に、第２のさらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、および
合成ダイヤモンド基材の前面上の第２のさらなるダイヤモンド材料を再び処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
量子スピン欠陥が、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
量子スピン欠陥が、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-である、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
処理するステップが、照射するステップおよびアニールするステップのいずれかを含む、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
流体試料を受けるためのマイクロ流体チャンネル、および
マイクロ流体チャンネルに隣接して配置されたセンサー
を含むマイクロ流体セルであって、
センサーが、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む、マイクロ流体セル。
【請求項２２】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む磁気測定検知プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成ダイヤモンド材料の分野、および合成ダイヤモンド材料を製造する方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
合成ダイヤモンド材料における点欠陥、特に、量子スピン欠陥、および／または、光学活性欠陥は、磁力計、スピン共鳴装置、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置および電子スピン共鳴（ＥＳＲ）装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）用のスピン共鳴イメージング装置、ならびに例えば、量子計算用の量子情報処理装置を含む、様々な検知用途、検出用途、および量子処理用途において使用するために提案されてきた。
ケイ素空孔欠陥（Ｓｉ−Ｖ）、ケイ素複空孔欠陥（Ｓｉ−Ｖ2）、ケイ素空孔水素欠陥（Ｓｉ−Ｖ：Ｈ）、ケイ素複空孔水素欠陥（Ｓ−Ｖ2：Ｈ）などのケイ素含有欠陥、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥、ならびに窒素空孔欠陥（Ｎ−Ｖ）、二窒素空孔欠陥（Ｎ−Ｖ−Ｎ）、および窒素空孔水素欠陥（Ｎ−Ｖ−Ｈ）などの窒素含有欠陥を含む、多くの点欠陥が、合成ダイヤモンド材料において研究されてきた。これらの欠陥は、典型的には、中性電荷状態において、または負電荷状態において認められる。これらの点欠陥が、２個以上の結晶格子点にわたって拡張することも留意されたい。本明細書における用語、点欠陥は、こうした欠陥を含むが、１０個以上の格子点にわたって拡張するものなどの、より大きなクラスター欠陥、または多くの格子点にわたって拡張することがある転位などの拡張欠陥は含まないことが意図される。
【０００３】
ある種の欠陥は、その負電荷状態にあるとき、検知用途、検出用途、および量子処理用途において、特に有用であることが明らかになった。例えば、合成ダイヤモンド材料における、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥（ＮＶ-）は、有用な量子スピン欠陥として多くの興味を引きつけてきた。というのは、幾つかの望ましい特徴：
（ｉ）室温での長いコヒーレンス時間（横緩和時間Ｔ2および／またはＴ2*を用いて、定量化し、比較することができる）のために、その電子スピン状態を高い忠実度で、コヒーレントに操作することができる
（ｉｉ）その電子構造により、欠陥を、その電子基底状態に光ポンピングすることができ、こうした欠陥を、非極低温でさえも、特定の電子スピン状態に置くことができる。これにより、小型化が望ましい、ある種の用途について、高価かつ嵩張る極低温冷却設備の必要性をなくすことができる。さらに、欠陥は、全てが同じスピン状態を有する光子の源として機能することができる、および
（ｉｉｉ）その電子構造は、欠陥の電子スピン状態を、光子を介して読み出すことができる、発光性および非発光性の電子スピン状態を含む。これは、磁力計、スピン共鳴分光、およびイメージングなどの検知用途で用いられる合成ダイヤモンド材料から情報を読み出すのに好都合である。さらに、それは、長距離量子通信および拡張可能な量子計算のための量子ビットとして、ＮＶ-欠陥を用いることに対する重要な要素である。こうした結果により、ＮＶ-欠陥は、固体状態量子情報処理（ＱＩＰ）のための競合的候補となる
を有するからである。
【０００４】
ダイヤモンド中のＮＶ-欠陥は、炭素空孔に隣接した置換型窒素原子で構成される。その２個の不対電子は、電子基底状態においてスピン三重項（3Ａ）を形成し、縮退したｍs＝±１副準位は、ｍs＝０準位から２．８７ＧＨｚ離れている。ｍs＝０副準位は、光ポンピングされるとき、高い蛍光率を示す。対照的に、欠陥が、ｍs＝±１準位において励起されるとき、非放射一重項状態（1Ａ）にクロスオーバーし、引き続いて緩和してｍs＝０になる確率がより高くなる。結果として、スピン状態を光学的に読み出すことができ、ｍs＝０状態は「明るく」、ｍs＝±１状態は「暗い」。外部磁場を加える場合、スピン副準位ｍs＝±１の縮退がゼーマン分裂により壊される。これにより、加えられた磁場の大きさおよびその方向に応じて、共鳴線の分裂が生じる。全ての、４つの可能なＮＶアライメントが、試料の、励起および検出の領域に存在する場合、この依存性を、ベクトル磁気測定に用いることができる。というのは、マイクロ波（ＭＷ）周波数を掃引し、その結果、光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルに特有のディップをもたらすことによって、共鳴スピン遷移を探ることができるからである。
【０００５】
合成ダイヤモンド材料のＮＶ-欠陥は、以下の、幾つかの異なる方法：
（ｉ）成長中に、窒素空孔対として窒素原子および空孔が結晶格子に組み込まれる、合成ダイヤモンド材料の成長中に形成すること
（ｉｉ）ある温度（約８００℃）で、材料を成長後にアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、天然の単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に、成長過程中に組み込まれた、天然の窒素および空孔欠陥から形成すること
（ｉｉｉ）電子または中性子で合成ダイヤモンド材料を照射して、空孔欠陥を導入し、引き続いて、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、天然の単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に、成長過程中に組み込まれた、天然の窒素欠陥から形成すること
（ｉｖ）ダイヤモンド材料合成後の合成ダイヤモンド材料へ窒素欠陥を埋め込み、次いで、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた天然の空孔欠陥の移動を生じて、埋め込まれた単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に形成すること
（ｖ）合成ダイヤモンド材料を照射して、空孔欠陥を導入し、照射前または照射後の、合成ダイヤモンド材料へ窒素欠陥を埋め込み、ある温度で材料をアニールし、それによって、結晶格子を通じた空孔欠陥の移動を生じて、埋め込まれた単一の置換型窒素欠陥と対にすることによって、ダイヤモンド材料合成後に形成すること
において形成することができる。
【０００６】
先行技術において、多様な種類の磁気測定用途において使用するための、多様な種類のダイヤモンド材料が開示されてきた：
磁気測定用途のための高圧高温（ＨＰＨＴ）ダイヤモンド材料の物性が論述された、Acosta  et  al.,  Phys.  Rev.  B80,  115202
磁気測定などの用途のための、低い窒素含有量の、単結晶化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド材料が開示された、国際公開第２０１０／０１０３５２号および国際公開第２０１０／０１０３４４号
磁気測定などの用途のための、照射され、アニールされた、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が開示された、国際公開第２０１０／１４９７７５号。
【発明の概要】
【０００７】
様々な種類のダイヤモンド材料が、磁気測定用途のために提案されてきたが、本発明の実施形態の目的は、新規の検知用途のためのダイヤモンド材料を最適化することである。
第１の態様によれば、表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域を含む、合成ダイヤモンド材料が提供される。第２の表面領域は、所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置され、第２の領域が、第２の量子スピン欠陥濃度を含む。第１の量子スピン欠陥濃度は、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高く、第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方は、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む。
様々な種類の量子スピン欠陥を、合成ダイヤモンド材料中に工学的に作り出すことができる。ダイヤモンド中の量子スピン欠陥の例には、任意の、ケイ素、ニッケル、クロム、ゲルマニウム、スズ、および窒素のいずれかを含有する欠陥が挙げられる。これらの一部は、負に帯電しても、中性であっても、または正に帯電してもよい。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-である。
第１の量子スピン欠陥濃度は、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高くてもよい。
本発明は、実質的に平坦な表面を含む、いずれの種類の表面にも適用することができる。
【０００８】
第１の量子スピン欠陥濃度は、１ｘ１０13欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０14欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０15欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより高くてもよい。
第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度は、４ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、２ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、または１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより低くてもよい。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間（Ｈａｈｎ−ｅｃｈｏ  ｄｅｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ）Ｔ2を有する。
合成ダイヤモンド材料は、複数の第１の表面領域を含んでもよい。
平坦な前面の下の、第１の領域の深さは、１００ｎｍ〜１００μｍであってもよい。
さらなる一選択肢として、表面は、ホウ素を含む第３の表面領域をさらに含む。ホウ素ドープにより、ダイヤモンドが導電性になり、したがって、これを用いて、第１の表面領域の近傍に電場を加えることができる。
一選択肢として、第２の表面領域は、第１の表面領域を取り囲む。
【０００９】
第２の態様によれば、第１の態様において前述された、合成ダイヤモンド材料を製造する方法が提供される。方法は、前面を有する合成ダイヤモンド基材を用意するステップを含む。ＣＶＤ法を用いて、単結晶ダイヤモンド基材の前面上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させる。次いで、合成ダイヤモンド基材の前面を処理して、ダイヤモンド基材材料の第２の表面領域に隣接した、さらなるダイヤモンド材料の第１の表面領域を有する検知表面を形成し、さらなるダイヤモンド材料の量子スピン欠陥濃度は、合成ダイヤモンド基材材料の量子スピン欠陥よりも少なくとも１０倍高い。
一選択肢として、方法は、ダイヤモンド基材の前面に、少なくとも１個の凹部を形成するステップ、凹部においてさらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、および合成ダイヤモンド基材の前面上のさらなるダイヤモンド材料を再び処理して、検知表面を形成するステップを含む。凹部は、エッチング、マスクエッチング（ｍａｓｋｅｄ  ｅｔｃｈｉｎｇ）、研削、および研磨のいずれかによって形成されてもよく、１００ｎｍ〜１００μｍの深さを有する。
【００１０】
代替的な一選択肢として、方法は、前面上に、少なくとも１個の開口部を有するマスクを配置するステップ、および前面上で、選択された範囲でさらなるダイヤモンド材料を成長させるように、マスク上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップを含む。次いで、マスクを取り除き、前面上に、第２のさらなるダイヤモンド材料を成長させる。次いで、第２のさらなるダイヤモンド材料を処理して、検知表面を形成する。
一選択肢として、量子スピン欠陥は、ケイ素、ニッケル、クロム、ゲルマニウム、スズ、および窒素のいずれかを含む。
さらなる一選択肢として、量子スピン欠陥は、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥、ＮＶ-である。
処理するステップは、照射するステップおよびアニールするステップのいずれかを含んでもよい。例えば、これを用いて、ダイヤモンド中の窒素をＮＶ-中心に変換する。
第３の態様によれば、流体試料を受けるためのマイクロ流体チャンネル、マイクロ流体チャンネルに隣接して配置されたセンサーを含むマイクロ流体セルであって、センサーが、第１の態様において前述された合成ダイヤモンド材料を含む、マイクロ流体セルが提供される。
【００１１】
第４の態様によれば、第１の態様において前述された合成ダイヤモンド材料を含む磁気測定検知プローブが提供される。
本開示を説明するための、非限定的な実施例の構成は、添付の図を参照して、以下で記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】合成ダイヤモンド材料を製造するためのステップを示す流れ図である。
【図２】第１の例示的な一実施形態の合成ダイヤモンド材料を製造するためのステップを示す流れ図である。
【図３】エッチングされたダイヤモンド基材の側面断面図を模式的に示す図である。
【図４】図４のエッチングされたダイヤモンド基材の平面図を模式的に示す図である。
【図５】ダイヤモンド基材で成長させた、さらなるダイヤモンド材料の側面断面図を模式的に示す図である。
【図６】処理後のダイヤモンド基材で成長させた、さらなるダイヤモンド材料の側面断面図を模式的に示す図である。
【図７】処理後の、図６のダイヤモンド材料の平面図を模式的に示す図である。
【図８】例示的なダイヤモンド材料を示すＵＶ照射された写真である。
【図９】第３のダイヤモンド層がもたらされる、さらなる例示的な一実施形態の側面図である。
【図１０】図９のダイヤモンド材料の平面図を模式的に示す図である。
【図１１】他のさらなる例示的な一実施形態の側面図である。
【図１２】図１１のダイヤモンド材料の平面図を模式的に示す図である。
【図１３】さらなる例示的な一実施形態の合成ダイヤモンド材料を製造するためのステップを示す流れ図である。
【図１４】ダイヤモンド基材およびマスクの側面断面図を模式的に示す図である。
【図１５】マスクの開口部で、さらなるダイヤモンド材料を成長させた、図１４のダイヤモンド基材およびマスクの側面断面図を模式的に示す図である。
【図１６】マスクを取り除いた、図１５のダイヤモンド基材の側面断面図を模式的に示す図である。
【図１７】表面で、さらなるダイヤモンド材料を成長させた、図１６のダイヤモンド基材の側面断面図を模式的に示す図である。
【図１８】処理後の、図１７のダイヤモンド基材の側面断面図を模式的に示す図である。
【図１９】マイクロ流体セルの側面断面図を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
前述したように、既知の、多数の量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料を、センサーとして使用することができる。しかし、より多くのセンサー機能およびセンサー解像度は、周辺の領域よりも、より高い量子スピン欠陥濃度を有する、ダイヤモンド材料の、所定の領域を含むダイヤモンド材料を生成することによって成し遂げることができた。高い量子スピン欠陥濃度のこれらの領域は、必要に応じて、パターンで形成することができる。発明者らは、こうした領域を形成する技術を開発した。
以下の記述は、例として、高いＮＶ-欠陥濃度を示すが、同じ技術または同様の技術を用いて、量子スピン欠陥の他の種類、例えば、ケイ素含有欠陥、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥、ゲルマニウム含有欠陥、スズ含有欠陥、および窒素含有欠陥を形成することができると認識されたい。
【００１４】
図１は、周辺の領域よりも、少なくとも１０倍のＮＶ-欠陥濃度を含んだ領域を有するダイヤモンド材料を生成するための、例示的なステップを示す流れ図である。以下の番号付けは、図１のものに対応する：
Ｓ１．合成ダイヤモンド基材を用意する。これは、合成ダイヤモンドの、ＣＶＤ、ＨＰＨＴ、または別の形態であってもよい。
Ｓ２．さらなるダイヤモンドを、基材の前面で、ＣＶＤを用いて成長させる。
Ｓ３．次いで、表面を処理して、第１の量子スピン欠陥濃度を有するダイヤモンドの第１の表面領域、および第１の表面領域に隣接した、第２の量子スピン欠陥濃度を有する第２の表面領域を形成し、第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高い。このさらなる処理するステップは、照射するステップおよびアニールするステップを含むこともできる。
【００１５】
図２は、第１の例示的な一実施形態の、例示的なステップを示す流れ図である。以下の番号付けは、図２のものに対応する：
Ｓ４．合成ダイヤモンド基材を用意する。これは、合成ダイヤモンドのＣＶＤ、ＨＰＨＴ、または別の形態であってもよい。
Ｓ５．凹部のパターンは、合成ダイヤモンド基材の平坦な前面において形成される。こうした凹部を形成する、例示的な方法には、マスクを用いたエッチング、選択された範囲の研削、選択された範囲の研磨などが挙げられる。図３は、例示的な合成ダイヤモンド基材１の模式的な側面断面図であり、図４は、同じダイヤモンド基材１の模式的な平面図である。円２および２個の同心円状の輪３、輪４は、合成ダイヤモンド基材１の表面５に、マスクエッチングを用いて、異なる深さまでエッチングされた。凹部の深さは、約１００ｎｍ〜約１００μｍで変化することができる。図３に示された凹部は、断面でみると、９０°の角を有する。曲面状角部、面取り角部、またはＶ字型凹部などの他の形状を用いることができると認識されたい。というのは、これらにより、以下のステップＳ６での、さらなるダイヤモンドが上に成長することを改善することができるからである。
Ｓ６．ＣＶＤ法を用いて、さらなるダイヤモンド材料を、合成ダイヤモンド材料の平坦な前面５に成長させる。合成ダイヤモンド基材のＮＶ-欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高いＮＶ-欠陥濃度をもたらすような条件の下、さらなるダイヤモンド材料を成長させる。図５は、合成ダイヤモンド基材１で、さらなるダイヤモンド材料６を上に成長させた後の、図３および図４の合成ダイヤモンド基材の側面断面図を模式的に示す。さらなるダイヤモンド材料６を、合成ダイヤモンド基材１の凹部２、凹部３、凹部４で成長させ、かつ合成ダイヤモンド材料１の平坦な前面５の層においても成長させた。
Ｓ７．得られた複合ダイヤモンド材料を、再び処理して、過剰の、さらなるダイヤモンド材料６を取り除く。処理するステップは、標準の技術、例えば、研磨、研削、機械研磨、およびエッチングを用いて実施することができる。図６は、さらなるダイヤモンドを再び処理した後の、ダイヤモンド基材１の側面断面図を模式的に示す。図７は、図６と同じ材料を、平面図で模式的に示す。ダイヤモンド基材１の表面１０は、さらなるダイヤモンド材料の、２個の同心円状の輪８、輪９によって取り囲まれた、さらなるダイヤモンド材料の円７を有する。さらなるダイヤモンド材料の領域は、周辺の合成ダイヤモンド基材１のＮＶ-濃度よりも少なくとも１０倍高いＮＶ-濃度を有する。
【００１６】
前述の技術を用いて、より低い量子スピン欠陥濃度の領域によって取り囲まれた、高い量子スピン欠陥濃度の領域を有するダイヤモンド材料を製造することができる。こうした材料を、磁場検知に基づいた、幅広い分野のイメージングなどの、検知用途で使用することができる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
寸法３×３×０．５ｍｍおよび窒素濃度１．５ｐｐｂを有する、単結晶ダイヤモンド基材を用意した。マスクを、基材の成長面上に置き、成長面を、誘導結合型プラズマエッチングを用いて、選択的にエッチングした。酸素を使用し得ることが認識されているが、これは、Ａｒ供給ガスおよびＣｌ供給ガスを用いて実施された。エッチングにより、基材の成長面に凹部パターンが形成された。技術者には、例えば、研削、機械加工、化学機械研磨などの他の方法を用いて、１０μｍの凹部を形成することができると認識される。
次いで、エッチングされたダイヤモンド基材を、真空チャンバー内に置き、表面洗浄エッチングを、水素プラズマを用いて実施した。
エッチングされたダイヤモンド基材をＣＶＤ反応器チャンバーに置き、さらなるダイヤモンドを、基材で、エッチングされた凹部パターンの深さよりも、より大きい厚さまで成長させた。さらなるダイヤモンドを、以下の条件：
マイクロ波電力＝５ｋＷ
圧力＝２３０Ｔｏｒｒ
水素流量＝６００ｓｃｃｍ
メタン流量＝３０ｓｃｃｍ
窒素ドープ＝Ｈ2中Ｎ2１０００ｐｐｍを６０ｓｃｃｍ
を用いて成長させた。
【００１８】
窒素ドープレベルを相対的に高くなるように選択して、ダイヤモンド基材のＮＶ-濃度よりも、さらにより高いＮＶ-濃度で、さらなるダイヤモンドを成長させることを確実にした。
次いで、さらなるダイヤモンドを、機械研磨を用いて再び研磨して、さらなるダイヤモンドの表面層を取り除いて、ダイヤモンド材料の表面で、高窒素ダイヤモンドの領域７、領域８、領域９、および低窒素ダイヤモンドの領域１がある、図４および図５で示されたものと同様の構造を残した。
窒素レベルなどのパラメーターは、最終製品の、所望の窒素濃度に応じて変えることができる。任意に、酸素、ＣＯ、またはＣＯ2もまた、成長過程に加えることができる。成長後、単結晶ダイヤモンド材料を、照射法およびアニール法を用いて処理した。これは、電子束３ｘ１０14ｃｍ-2秒-1の下、材料を６時間照射するステップ、および４００℃で４時間、８００℃で１６時間、次いで１２００℃で２時間、アニールするステップを含んだ。この方法により、ダイヤモンド中の窒素がＮＶ-中心に変換されて、それらが量子スピン欠陥として有用なものになる。
【００１９】
（実施例２）
図８は、図１で前述されたものと同じように製造された合成ダイヤモンド材料の写真であるが、より高いＮＶ-欠陥濃度の領域の異なるパターンを用いた写真である。材料が、任意で、ＵＶ励起を用いて光ポンピングされるとき、より高いＮＶ-欠陥濃度を含んだ領域が蛍光を発する。
（実施例３）
さらなる例示的な一実施形態として、さらなる層を、ダイヤモンド材料に蒸着させることができる。図９および図１０を参照すると、図６および図７のダイヤモンド材料は、さらに処理された。
低い窒素含有量（１．５ｐｐｂ）を有する、第３のダイヤモンド層１０を、合成ダイヤモンド基材材料１の表面１１に成長させた。
マスクを、第３のダイヤモンド層１０の表面上に置き、表面を、誘導結合型プラズマエッチングを用いて、選択的にエッチングした。酸素を使用し得ることが認識されているが、これは、Ａｒ供給ガスおよびＣｌ供給ガスを用いて実施された。エッチングにより、基材の成長面に凹部パターンが形成された。技術者には、例えば、研削、機械加工、化学機械研磨などの他の方法を用いて、凹部を形成することができると認識される。
次いで、エッチングされた、第３のダイヤモンド層１０を、実施例１に説明されたように、水素プラズマで洗浄した。
【００２０】
次いで、エッチングされた、第３のダイヤモンド層を、ＣＶＤ反応器チャンバーに置き、追加のダイヤモンドを、基材で、エッチングされた凹部パターンの深さよりも、より大きい厚さまで成長させた。追加のダイヤモンドを、以下の条件：
マイクロ波電力＝３．６ｋＷ
圧力＝１４０Ｔｏｒｒ
水素流量＝６００ｓｃｃｍ
メタン流量＝３２ｓｃｃｍ
Ｂ2Ｈ6流量＝１９ｓｃｃｍ
を用いて成長させた。
ホウ素の添加は、追加のダイヤモンドが、導電性合成ダイヤモンドを形成するのに十分なホウ素含有量を有することを確実にすることであった。
次いで、追加のダイヤモンドを、機械研磨を用いて再び研磨して、追加のダイヤモンドの表面層を取り除いて、図８および図９に示されたものと同様の構造を残した。第３のダイヤモンド層１０の表面は、輪の形態の、ホウ素ドープダイヤモンド１１の領域を含む。この領域１１は、導電性であり、したがって、領域１１を用いて、高い量子スピン欠陥濃度を有する、さらなるダイヤモンドの領域７、領域８、領域９の近傍に、電場を加えることができる。導電性領域１１を、マイクロ波を生じる方法として使用することもできる。
【００２１】
（実施例４）
実施例３の代替的なものとして、ホウ素ドープされた、第３のダイヤモンド層を、実施例１のさらなるダイヤモンドと同じ平面に蒸着させることができる。これを、図１１および図１２に示す。この場合、材料は、実施例１で前述されたものと同じ方法で製造される。次いで、マスクを、ダイヤモンド材料の表面上に置き、パターンを表面にエッチングした。マスクを取り除き、エッチングされた凹部を有する表面を残す。次いで、第３のダイヤモンド材料を、表面で、かつ凹部中で、上に成長させる。この実施例における第３のダイヤモンド材料を、ホウ素でドープする。次いで、新しい表面を再び研磨して、図１１および図１２に示された構造を残した。
得られた表面は、高い量子スピン欠陥濃度を有する表面領域７、表面領域８、表面領域９、およびホウ素ドープダイヤモンドを有する表面領域１２を含む。
【００２２】
上記の実施形態および実施例には、第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域、および所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置された、第２の表面領域を含む表面を含む合成ダイヤモンド材料を得るための、１つの方法が説明される。代替的な技術は、図１３に示される。以下の番号付けは、図１３のものに対応する：
Ｓ８．合成ダイヤモンド基材１３を用意する。これは、合成ダイヤモンドのＣＶＤ、ＨＰＨＴ、または別の形態であってもよい。
Ｓ９．図１４を参照して、少なくとも１個の開口部１５を有するマスク１４を、１合成ダイヤモンド基材１３の表面上に配置する。
Ｓ１０．図１５に示すように、さらなるダイヤモンド材料１６を、マスク１４上に成長させ、マスク１４の開口部を充填する。さらなるダイヤモンド材料は、合成ダイヤモンド基材１３よりも、より高い窒素濃度を有する。
Ｓ１１．図１６に示すように、マスク１４を取り除いて、さらなるダイヤモンド１６の突出した成長を含む合成ダイヤモンド基材を残す。
Ｓ１２．図１７に示すように、次いで、ダイヤモンド材料１６（本実施例において、合成ダイヤモンド基材１３のダイヤモンド材料に対応する）を、ダイヤモンド基材１３に成長させる。
Ｓ１３．図１８に示すように、ダイヤモンド材料１６の新しい表面を、任意の好適な手段を用いて、再び処理して、図１８に示される構造を形成し、その構造において、表面が、より低い窒素含有量を有するダイヤモンド材料の領域１６に隣接した、より高い窒素含有量を有するダイヤモンド材料の領域１５を含む。それに続く、照射するステップおよびアニールするステップを用いて、ダイヤモンド材料の窒素をＮＶ-中心に変えることができる。
【００２３】
前述の技術を用いて、より低い量子スピン欠陥濃度の領域に取り囲まれた、高い量子スピン欠陥濃度の領域を有するダイヤモンド材料を製造することができる。こうした材料を、磁場検知に基づいた、幅広い分野のイメージングなどの、検知用途の検知プローブとして使用することができる。
合成ダイヤモンド材料の、別の例示的な使用は、マイクロ流体検知分野である。図１９は、高い量子スピン欠陥濃度を有する、ダイヤモンドの領域１６を有する、ダイヤモンド材料１３を含む、例示的なマイクロ流体セル１７を模式的に示す。マイクロ流体セルは、高い量子スピン欠陥濃度を有するダイヤモンドの領域１６に隣接したチャンネル１８を含み、流体を分析するのに用いることができる。ダイヤモンドにおいて、量子スピン欠陥を用いたマイクロ流体検知の考察および説明は、国際公開第２０１２／０３４９２４号で確認することができる。
【００２４】
添付の特許請求の範囲で提示される本発明は、実施形態を参照して、示され、説明されてきた。しかし、添付の特許請求の範囲によって定められた、本発明の範囲を逸脱することなく、形態および詳細において様々な変更を加えることができることは、当業者に理解されよう。
【図１】
2021512219.tif 000003
【図２】
2021512219.tif 000004
【図３】
2021512219.tif 000005
【図４】
2021512219.tif 000006
【図５】
2021512219.tif 000007
【図６】
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【図７】
2021512219.tif 000009
【図８】
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【図９】
2021512219.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月9日(2020.9.9)
【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】
表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、
第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域、
所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置された、第２の量子スピン欠陥濃度を含む、第２の表面領域であって、第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高い、第２の表面領域
を含み、
平坦な前面の下の、第１の領域の深さが、１００ｎｍ〜１００μｍであり、
第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方が、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む、合成ダイヤモンド材料。
【請求項２】
量子スピン欠陥が、
負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、請求項１に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項３】
第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高い、請求項１または２に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項４】
第１の量子スピン欠陥濃度が、１ｘ１０13欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０14欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０15欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項５】
第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度が、４ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、２ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、または１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより低い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項６】
量子スピン欠陥が、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間Ｔ2を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項７】
複数の第１の表面領域をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項８】
表面が、ホウ素を含む第３の表面領域をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項９】
第２の表面領域が、第１の表面領域を取り囲んでいる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、
前面を有する合成ダイヤモンド基材を用意するステップ、
化学蒸着法を用いて、単結晶ダイヤモンド基材の前面上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
合成ダイヤモンド基材の前面を処理して、ダイヤモンド基材材料の第２の表面領域に隣接した、さらなるダイヤモンド材料の第１の表面領域を有する検知表面を形成するステップであり、さらなるダイヤモンド材料の量子スピン欠陥濃度が、合成ダイヤモンド基材材料の量子スピン欠陥よりも少なくとも１０倍高く、平坦な前面の下の、第１の領域の深さが、１００ｎｍ〜１００μｍである、形成するステップ
を含む、方法。
【請求項１１】
ダイヤモンド基材の前面に、少なくとも１個の凹部を形成するステップ、
凹部において、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
さらなるダイヤモンド材料を処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前面上に、少なくとも１個の開口部を有するマスクを配置するステップ、
前面上で、選択された範囲でさらなるダイヤモンド材料を成長させるように、マスク上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
マスクを取り除くステップ、
前面上に、第２のさらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、および
合成ダイヤモンド基材の前面上の第２のさらなるダイヤモンド材料を再び処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
量子スピン欠陥が、
負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
流体試料を受けるためのマイクロ流体チャンネル、および
マイクロ流体チャンネルに隣接して配置されたセンサー
を含むマイクロ流体セルであって、
センサーが、請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む、マイクロ流体セル。
【請求項１５】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む磁気測定検知プローブ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
添付の特許請求の範囲で提示される本発明は、実施形態を参照して、示され、説明されてきた。しかし、添付の特許請求の範囲によって定められた、本発明の範囲を逸脱することなく、形態および詳細において様々な変更を加えることができることは、当業者に理解されよう。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１．  表面を含む合成ダイヤモンド材料であって、表面が、
第１の量子スピン欠陥濃度を含む、第１の表面領域、
所定の範囲を有し、第１の表面領域に隣接して配置された、第２の量子スピン欠陥濃度を含む、第２の表面領域であって、第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１０倍高い、第２の表面領域
を含み、
第１の表面領域または第２の表面領域のうちの少なくとも一方が、化学蒸着、ＣＶＤ、合成ダイヤモンドを含む、合成ダイヤモンド材料。
２．  量子スピン欠陥が、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、上記１に記載の合成ダイヤモンド材料。
３．  量子スピン欠陥が、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-である、上記１に記載の合成ダイヤモンド材料。
４．  第１の量子スピン欠陥濃度が、第２の量子スピン欠陥濃度よりも少なくとも１００倍高い、上記１〜３のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
５．  表面が、実質的に平坦な表面である、上記１〜４のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
６．  第１の量子スピン欠陥濃度が、１ｘ１０13欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０14欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０15欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより高い、上記１〜５のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
７．  第１の表面領域の量子スピン欠陥濃度が、４ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、２ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０18欠陥／ｃｍ3、１ｘ１０17欠陥／ｃｍ3、または１ｘ１０16欠陥／ｃｍ3と等しいか、またはそれらよりもより低い、上記１〜６のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
８．  量子スピン欠陥が、０．０１ｍｓ、０．０５ｍｓ、０．１ｍｓ、０．３ｍｓ、０．６ｍｓ、１ｍｓ、５ｍｓ、または１５ｍｓと等しいか、またはそれらよりもより長い、ハーンエコーデコヒーレンス時間Ｔ2を有する、上記１〜７のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
９．  複数の第１の表面領域をさらに含む、上記１〜８のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
１０．  平坦な前面の下の、第１の領域の深さが、１００ｎｍ〜１００μｍである、上記１〜９のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
１１．  表面が、ホウ素を含む第３の表面領域をさらに含む、上記１〜１０のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
１２．  第２の表面領域が、第１の表面領域を取り囲んでいる、上記１〜１１のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料。
１３．  上記１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、
前面を有する合成ダイヤモンド基材を用意するステップ、
化学蒸着法を用いて、単結晶ダイヤモンド基材の前面上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
合成ダイヤモンド基材の前面を処理して、ダイヤモンド基材材料の第２の表面領域に隣接した、さらなるダイヤモンド材料の第１の表面領域を有する検知表面を形成するステップであり、さらなるダイヤモンド材料の量子スピン欠陥濃度が、合成ダイヤモンド基材材料の量子スピン欠陥よりも少なくとも１０倍高い、形成するステップ
を含む、方法。
１４．  ダイヤモンド基材の前面に、少なくとも１個の凹部を形成するステップ、
凹部において、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
さらなるダイヤモンド材料を処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、上記１３に記載の方法。
１５．  エッチング、マスクエッチング、研削、および研磨のいずれかによって、凹部を形成するステップを含む、上記１４に記載の方法。
１６．  １００ｎｍ〜１００μｍの深さを有する凹部を形成するステップを含む、上記１４または上記１５に記載の方法。
１７．  前面上に、少なくとも１個の開口部を有するマスクを配置するステップ、
前面上で、選択された範囲でさらなるダイヤモンド材料を成長させるように、マスク上に、さらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、
マスクを取り除くステップ、
前面上に、第２のさらなるダイヤモンド材料を成長させるステップ、および
合成ダイヤモンド基材の前面上の第２のさらなるダイヤモンド材料を再び処理して、検知表面を形成するステップ
を含む、上記１３に記載の方法。
１８．  量子スピン欠陥が、
ケイ素含有欠陥、
ニッケル含有欠陥、
クロム含有欠陥、
ゲルマニウム含有欠陥、
スズ含有欠陥、および
窒素含有欠陥
のいずれかから選択される、上記１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
１９．  量子スピン欠陥が、負電荷を帯びた窒素空孔欠陥ＮＶ-である、上記１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
２０．  処理するステップが、照射するステップおよびアニールするステップのいずれかを含む、上記１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
２１．  流体試料を受けるためのマイクロ流体チャンネル、および
マイクロ流体チャンネルに隣接して配置されたセンサー
を含むマイクロ流体セルであって、
センサーが、上記１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む、マイクロ流体セル。
２２．  上記１〜１２のいずれか１項に記載の合成ダイヤモンド材料を含む磁気測定検知プローブ。
【国際調査報告】
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2021512219.tif 000023
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