Quantum-grade diamond for cavity-based solutions

Abstract: Quantum technologies represent one of the latest achievements of humankind. In this context, synthetic diamond is extensively studied over the past years due to its outstanding material properties. Especially nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond show high potential towards the realization of diamond-based quantum technologies. Therefore, this dissertation focuses on the understanding of the fabrication of highly NV-doped bulk diamond defined as quantum grade. This type of diamond is expected to find application as a laser crystal to promote the realization of solid-state masers, laser systems, high sensitivity gyroscopes, high sensitivity magnetometers or more specifically a laser threshold magnetometer. For the implementation of such systems however, special material properties are demanded. These required characteristics were compiled in detail in the course of this thesis and suitable specifications for their evaluation were elaborated. Furthermore, the entire diamond development chain was considered to prevent any inherited detriment. For a successful epitaxy, optimal diamond substrates were selected firstly. These were pretreated with an in situ plasma-etching step to remove their polishing-induced subsurface damage. In this regard, a new non-destructive measurement method was introduced to the diamond community to reliably determine the removal of the damaged layer down to the bulk crystal quality. Additionally, the disadvantage of oxygen as a process-gas component was identified during the optimization of this pretreatment, contrary to the common opinion stated in literature. Subsequently, in situ nitrogen doping of diamond was thoroughly investigated. In this context, the highest ever-reported in situ incorporation efficiencies of NV centers into diamond were obtained. Based on the corresponding findings, a phenomenological model was established on the incorporation mechanism of NV centers into diamond. Moreover, the scientific and technical understanding of the incorporation of single substituted nitrogen into diamond and its influences as a catalyst were advanced. In this relation, the impact of diverse direct input variables over a wide range on the plasma properties was identified and correlated with the resulting defect states within the synthesized diamond. This elaborated data illustrates the high potential of engineering defect concentrations as well as crystal quality of the desired growth product. Based on these essential dependencies, optimal growth regimes were determined towards the realization of the desired quantum-grade diamond. In conclusion, it can be stated that the optimized diamonds, synthesized in the course of this thesis, meet the high demands of the as-grown preliminary quantum-grade diamond. Subsequent adequate posttreatments enable these diamonds to be suitable for further development in the context of cavity-based diamond quantum technological applications
Abstract: Quantentechnologien repräsentieren eine der neusten Errungenschaften der Menschheit. In diesem Zusammenhang wurde synthetischer Diamant auf Grund seiner besonderen Materialeigenschaften umfangreich untersucht. Insbesondere die Stickstoff-Vakanz-Zentren (NVZentren) in Diamant weisen ein hohes Potenzial für die Realisierung von diamantbasierten Quantentechnologien auf. Daher steht in dieser Dissertation das Verständnis der Herstellung von hoch NV-dotiertem Diamant im Mittelpunkt. Dieser Diamant soll dem Qualitätsanspruch eines Laserkristalls Genüge tun, um die Realisierung von Festkörper-Masern, Lasersystemen, hochempfindlichen Gyroskopen, hochempfindlichen Magnetometern oder spezifischer eines Laserschwellenmagnetometer voran zu treiben. Für die Umsetzung solcher Systeme sind jedoch spezielle Materialeigenschaften erforderlich. Diese essentiellen Eigenschaften wurden im Verlauf dieser Dissertation im Detail zusammengestellt und geeignete Spezifikationen f¨ur dessen Bewertung wurden erarbeitet. Weiterhin wurde die gesamte Entwicklung der Herstellung der Diamanten betrachtet, um eventuelle Beeinträchtigungen im Verlaufe zu begrenzen. Für eine erfolgreiche Epitaxie wurden zuerst optimale Diamantsubstrate selektiert. Diese wurden im Anschluss mit einem in situ Plasmaätzschritt vorbehandelt, um die durch das Polieren verursachten Schäden an der Oberfläche zu entfernen. In diesem Zusammenhang wurde eine neue zerstörungsfreie Messmethode im Hinblick auf die Diamantsubstratvorbehandlung eingeführt, um die Entfernung des Politurschadens zuverlässig bestimmen zu können. Außerdem wurde bei der Optimierung dieser Vorbehandlung der Nachteil von Sauerstoff als anteiliges Prozessgas identifiziert entgegen der gängigen Literaturmeinung. Anschließend wurde die in situ Stickstoffdotierung von Diamant eingehend untersucht. Dabei wurden die höchsten bisher publizierten in situ Einbaueffizienzen von NV Zentren erzielt. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde ein phänomenologisches Model über den Einbaumechanismus von NV Zentren in Diamant aufgestellt. Darüber hinaus wurde das wissenschaftliche und technische Verständnis über den Einbau von substituiertem Stickstoff in Diamant und dessen Einfl¨usse als Katalysator vorangetrieben. Dabei wurden die Auswirkungen verschiedener direkter Eingangsvariablen über einen weiten Bereich auf die Plasmaeigenschaften identifiziert und mit den resultierenden Defektzuständen innerhalb des synthetisierten Diamanten korreliert. Diese Daten verdeutlichen das hohe Potenzial der Manipulation von Defektkonzentration sowie der Kristallqualität des gewünschten Wachstumsprodukts. Basierend auf diesen essentiellen Abhängigkeiten wurde ein optimales Wachstumsregime f¨ur die spezifizierten Diamanten bestimmt. Abschließend kann festgehalten werden, dass die im Rahmen dieser Arbeit optimierten Diamanten den hohen definierten Qualitätsanforderungen von Laserkristallen entsprechen. Durch anschließende adäquate Nachbehandlungen sind diese Diamanten für die weitere Entwicklung im Zusammenhang mit Laserkavitäten für quantentechnologische Anwendungen geeignet

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: CVD-Verfahren ; Diamant ; Dotierter Halbleiter ; Quantenfestkörper ; Quantentechnologie

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2022
• Urheber: Langer, Julia
• Beteiligte Personen und Organisationen: Ambacher, Oliver ; Ambacher, Oliver ; Fiederle, Michael ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Nachhaltige Technische Systeme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/227511
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2275115
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:56 MEZ