Novos insights sobre a formação de centros de vacância de nitrogênio

Equipes de pesquisa da Universidade de Wuhan e da Universidade de Geociências da China (Wuhan) revelaram novos insights sobre o mecanismo de formação de centros de nitrogênio-vacâncias (NV) em diamantes tipo Ib, um fenômeno crítico para avanços em detecção e computação quântica. Usando um novo método de irradiação e recozimento, as equipes demonstraram como a temperatura e a orientação controladas podem aumentar significativamente a densidade e a profundidade dos centros de NV, abrindo caminho para novas aplicações em imagens biológicas e tecnologias quânticas.

O trabalho é publicado na revista Futuros de materiais.

Este estudo não apenas avança nossa compreensão dos materiais de diamante, mas também abre novas possibilidades para usar suas propriedades únicas em aplicações científicas e tecnológicas de ponta. À medida que os diamantes continuam a brilhar no campo da ciência dos materiais, este estudo representa um passo significativo para realizar seu potencial total.

Os centros de nitrogênio-vacância (NV) em diamantes, conhecidos por sua sensibilidade excepcional e resolução espacial, ocupam uma posição crucial nos campos de detecção quântica, computação quântica, rotulagem biofluorescente, detecção de temperatura e medições de campo magnético. Nos últimos anos, pesquisadores exploraram uma variedade de técnicas para a preparação de centros de NV, incluindo deposição química de vapor (CVD), irradiação de partículas de alta energia, implantação de íons e irradiação de laser de femtossegundo seguida de recozimento.

Entre esses métodos, o recozimento pós-irradiação surgiu como particularmente promissor, devido à sua capacidade de produzir centros NV em altas concentrações e em profundidades significativas no diamante. No entanto, a formação de centros NV é influenciada por vários fatores, incluindo a energia das partículas incidentes, temperatura de recozimento, concentração de nitrogênio e a concentração de vacâncias criadas durante a irradiação.

Estudos existentes demonstraram que a irradiação de partículas de alta energia seguida de recozimento pode aumentar substancialmente a concentração de centros NV. No entanto, otimizar os parâmetros do processo para a formação do centro NV continua desafiador devido à complexidade e ao alto custo dos experimentos, juntamente com a falta de suporte teórico abrangente. Como resultado, os processos em escala atômica que governam a formação do centro NV permanecem insuficientemente compreendidos.

Como solução, os pesquisadores empregaram simulações de MD, cálculos de primeiros princípios e verificações experimentais para revelar os mecanismos microscópicos e o processo de evolução de defeitos dos centros NV preparados pelo recozimento por irradiação do diamante tipo Ib.

Diferentes direções de incidentes ([111], [110] e [100]) e temperaturas de recozimento (973 K, 1.073 K e 1.173 K) são consideradas. Os resultados indicam que os centros NV podem ser formados por três mecanismos microscópicos, a saber, formação de NV induzida por irradiação (INF), irradiação com recozimento adicional (IFA) e migração de vacância (VM) em direção ao nitrogênio para formar centros NV.

A temperatura limite de recozimento para migração de vacância depende da orientação, com valores médios de 613,6 K, 700,5 K e 531,8 K ao longo da [111], [110]e [100] direções, respectivamente. É importante notar que uma temperatura de recozimento mais alta não garante um rendimento maior de formação de centro NV, pois também depende da orientação cristalográfica. Este trabalho fornece insights valiosos sobre o mecanismo de formação e preparação controlada adicional de centros NV.

Esses três mecanismos de formação são apresentados em simulações de MD, cálculos de primeiros princípios e experimentos de irradiação e recozimento, aumentando a compreensão do mecanismo de formação de centros NV. As três estratégias de formação de centros NV são as seguintes: formação de NV induzida por irradiação, irradiação com recozimento adicional para formar NV e migração de vacância para formar NV. A vacância troca com átomos de carbono próximos passo a passo, em vez de por salto. Além disso, a temperatura de recozimento exibe efeitos dependentes da orientação na migração de vacância e na formação do centro NV, indicando que temperaturas de recozimento mais altas não necessariamente resultam em um maior rendimento de centros NV.

Pesquisas futuras terão como objetivo melhorar a preparação controlável dos centros NV, com ênfase na minimização de custos experimentais.

Este trabalho fornece uma compreensão abrangente em nível atômico da formação de centros NV em diamantes, apresentando uma abordagem promissora para a preparação controlável de centros NV.