申請(qǐng)?zhí)? 201280021291.1

　　申請(qǐng)人: 六號(hào)元素有限公司

　　摘要：一種合成單晶金剛石材料，其包含：合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，其包含多個(gè)電子施主缺陷；合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，其包含多個(gè)量子自旋缺陷；和合成單晶金剛石材料的第三區(qū)域，其設(shè)置在所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間使得第一區(qū)域和第二區(qū)域被該第三區(qū)域間隔開，其中合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域和第三區(qū)域的電子施主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，并且其中所述第一區(qū)域和第二區(qū)域間隔開的距離為10nm至100μm，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域供給到合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中形成帶負(fù)電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域中形成帶正電荷的缺陷，同時(shí)該距離是足夠遠(yuǎn)離的以便減少第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過(guò)度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個(gè)量子自旋缺陷的消相干時(shí)間和／或產(chǎn)生所述多個(gè)量子自旋缺陷的光譜線寬度的應(yīng)變展寬。

　　主權(quán)利要求：1.一種合成單晶金剛石材料，該合成單晶金剛石材料包含：合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，其包含多個(gè)電子施主缺陷；合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，其包含多個(gè)量子自旋缺陷；和合成單晶金剛石材料的第三區(qū)域，其設(shè)置在所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間使得第一區(qū)域和第二區(qū)域被該第三區(qū)域間隔開，其中，合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域和第三區(qū)域的電子旋主缺陷濃度低于合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域，并且其中，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域間隔開的距離為10nm至100μm，該距離足夠接近從而允許將電子從合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域拱給到合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域，從而在合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中形成帶負(fù)電荷的量子自旋缺陷并且在合成單晶金剛石材料的第一區(qū)域中形成帶正電荷的缺陷，同時(shí)該距離是足夠遠(yuǎn)離的以便減少第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的其他耦合相互作用，否則這些其他耦合相互作用將過(guò)度地降低合成單晶金剛石材料的第二區(qū)域中所述多個(gè)量子自旋缺陷的消相干時(shí)間和／或產(chǎn)生所述多個(gè)量子自旋缺陷的光譜線寬度的應(yīng)變展寬。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域具有比第二 區(qū)域更低的量子自旋缺陷濃度。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域、 第二區(qū)域和第三區(qū)域是層的形式。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū)域、 第二區(qū)域和第三區(qū)域被設(shè)置在單一層內(nèi)。

　　5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域內(nèi)的 電子施主缺陷濃度朝向第二區(qū)域降低。

　　6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中由第一區(qū)域的 鄰近第二區(qū)域的部分形成所述第三區(qū)域。

　　7.根據(jù)前述權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的合成單晶金剛石材料，其中第 三區(qū)域是由第二區(qū)域的一部分形成，所述第二區(qū)域和第三區(qū)域由受控光學(xué)尋址 來(lái)界定，由此在使用中，與第一區(qū)域隔開10nm至100μm距離的第二區(qū)域被光 學(xué)尋址。

　　8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋 缺陷包括下列中的一種或多種：帶負(fù)電荷的含硅缺陷；帶負(fù)電荷的含鎳缺陷； 帶負(fù)電荷的含鉻缺陷；和帶負(fù)電荷的含氮缺陷。

　　9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自旋 缺陷是帶負(fù)電荷的氮-空位缺陷(NV-)。

　　10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述電子施 主缺陷包括下列中的一種或多種：氮；磷；和硅。

　　11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域的 厚度等于或大于：10nm；100nm；5μm；50μm；100μm；或500μm。

　　12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域的 厚度等于或小于：2mm；或1mm。

　　13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū) 域由合成CVD(化學(xué)氣相沉積)或合成HPHT(高溫高壓)金剛石材料形成。

　　14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述第一區(qū) 域中的電子施主缺陷的濃度等于或大于：1×1016缺陷／cm3；5×1016缺陷／cm3；1 ×1017缺陷／cm3；5×1017缺陷／cm3；1×1018缺陷／cm3；5×1018缺陷／cm3；1×1019缺陷／cm3；或2×1019缺陷／cm3。

　　15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中 的電子施主缺陷濃度等于或小于：1022缺陷／cm3；1021缺陷／cm3；或1020缺陷／cm3。

　　16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中 的電子施主缺陷濃度是第二區(qū)域中的量子自旋陷濃度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第一區(qū)域中 的電子施主缺陷濃度是第二區(qū)域中的電子施主缺陷濃度的至少2、4、8、10、 100、或1000倍。

　　18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中 的量子自旋缺陷的至少30％、40％、50％、60％、70％，80％或90％是帶負(fù)電荷的。

　　19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域的 厚度等于或大于：1nm；5nm；10nm；50nm；100nm；500nm；或1μm。

　　20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域的 厚度等于或小于：100μm；80μm；60μm；40μm；20μm；或10μm。

　　21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中 的量子自旋缺陷濃度等于或大于：1×1011缺陷／cm3；1×1012缺陷／cm3；1×1013缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；1×1015缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；1×1017缺陷／cm3； 1×1018缺陷／cm3。

　　22.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中 的量子自旋缺陷濃度等于或小于：4×1018缺陷／cm3；2×1018缺陷／cm3；1×1018缺陷／cm3；1×1017缺陷／cm3；或1×1016缺陷／cm3。

　　23.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第二區(qū)域中 的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨(dú)要么組合，其濃 度等于或小于：1×1017缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；5×1015缺陷／cm3；1×1015缺陷／cm3；5×1014缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；或5×1013缺陷／cm3。

　　24.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中在垂直于第 二區(qū)域主平面的方向上的第二區(qū)域的雙折射等于或小于：5×10-5、1×10-5、5 ×10-6、或1×10-6。

　　25.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中所述量子自 旋缺陷的消相干時(shí)間T2等于或大于0.05ms、0.1ms、0.3ms、0.6ms、1ms、 5ms、或15ms，相應(yīng)的T2*值等于或小于400μs、200μs、150μs、100μs、 75μs、50μs、20μs、或1μs。

　　26.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的 厚度等于或大于：50nm；100nm；500nm；1μm；10μm；或20μm。

　　27.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的 厚度等于或小于：80μm；60μm；40μm；或30μm。

　　28.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域具 有一定濃度的電子施主缺陷，包括氮、磷和硅中的一種或多種，要么單獨(dú)要么 組合，該濃度等于或小于：1×1017缺陷／cm3；1×1016缺陷／cm3；5×1015缺陷／cm3； 1×1015缺陷／cm3；5×1014缺陷／cm3；1×1014缺陷／cm3；或5×1013缺陷／cm3。

　　29.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石材料，其中第三區(qū)域的 量子自旋缺陷濃度等于或小于：1×1014缺陷／cm3；1×1013缺陷／cm3；1×1012缺 陷／cm3；1×1011缺陷／cm3；或1×1010缺陷／cm3。

　　30.一種裝置部件，其包含根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的合成單晶金剛石 材料。

　　31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面 形成輸出耦合結(jié)構(gòu)，以便增加光的輸出耦合。

　　32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置部件，其中在合成單晶金剛石材料的表面 中形成輸出耦合結(jié)構(gòu)，由此通過(guò)該合成單晶金剛石材料的表面整體形成該輸出 耦合結(jié)構(gòu)。

　　33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的裝置部件，其中所述輸出耦合結(jié)構(gòu)包括 下列中一種或多種：凸面；微透鏡陣列；固體浸沒(méi)透鏡(SIL)；多個(gè)表面凹陷或 納米結(jié)構(gòu)；衍射光柵；菲涅爾透鏡；和涂層，例如抗反射涂層。

　　34.一種裝置，其包含： 根據(jù)權(quán)利要求30-33任一項(xiàng)所述的裝置部件；和 光源，該光源用于光學(xué)泵浦所述合成單晶金剛石材料中的一個(gè)或多個(gè)量子 自旋缺陷。

　　35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，還包括： 檢測(cè)器，用以檢測(cè)來(lái)自合成單晶金剛石材料中的一個(gè)或多個(gè)衰變的量子自 旋缺陷的發(fā)射。

　　36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的裝置，還包括： 微波發(fā)生器，該微波發(fā)生器用于操縱所述合成單晶金剛石材料中的一個(gè)或 多個(gè)量子自旋缺陷。

　　37.根據(jù)權(quán)利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是磁力計(jì)，所述微波發(fā) 生器被配置為掃描用來(lái)操縱所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋缺陷中 一個(gè)或多個(gè)的微波頻率范圍。

　　38.根據(jù)權(quán)利要求35和36所述的裝置，其中該裝置是自旋共振裝置，所述 微波發(fā)生器被配置為掃描用來(lái)操縱所述合成單晶金剛石材料中的所述量子自旋 缺陷中一個(gè)或多個(gè)的微波頻率范圍，該自旋共振裝置還包括射頻或微波頻率發(fā) 生器，其被配置為掃描用來(lái)操縱設(shè)置在所述合成單晶金剛石材料鄰近的樣品內(nèi) 的量子自旋的頻率范圍。

　　39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是微流體裝置， 該微流體裝置包括用于接收流體樣品的微流體通道，所述單晶合成CVD金剛石 材料位于該微流體通道的鄰近。

　　40.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的裝置，其中所述自旋共振裝置是自旋共振 成像裝置，所述檢測(cè)器被配置用來(lái)在空間上解析來(lái)自所述合成單晶金剛石材料 中的所述量子自旋缺陷的發(fā)射，從而形成自旋共振圖像。

　　41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中該裝置是量子信息處理裝置。

　　42.根據(jù)權(quán)利要求35、36和41所述的裝置，所述微波發(fā)生器被配置用以選 擇性地操縱所述單晶合成金剛石材料中的所述量子自旋缺陷，以便寫入信息到 所述量子自旋缺陷，所述檢測(cè)器被配置用以選擇性地尋址一個(gè)或多個(gè)所述量子 自旋缺陷，以便從所述量子自旋缺陷讀取信息。

　　43.制造根據(jù)權(quán)利要求1到29中任一項(xiàng)所述的合成單晶金剛石材料的方 法，其中通過(guò)下列中的一種或多種來(lái)界定所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域： 不同的金剛石合成條件；合成后缺陷注入；合成后照射；合成后退火；和受控 的光尋址。