Nízkoteplotní studium křemíkových vakancí v diamantových tenkých vrstvách

Abstract

Světlo emitující záporně nabitá centra křemík-vakance (SiV) mohou být vytvořena za vysokých hustot v diamantových tenkých vrstvách pomocí chemické depozice z plynné fáze. Tenké diamantové vrstvy mohou být vyrobeny relativně levně ve velkém měřítku a mají potenciální využití ve fotonice či v biosenzorech. Praktické využití těchto vrstev je však limitováno jejich polykrystalickou sktrukturou, která v materiálu způsobuje pnutí a nežádoucí fotoluminiscenční (PL) pozadí. Ve snaze potlačit pnutí a PL pozadí jsme zkoumali vliv parametrů depozičního procesu na tenké diamantové vrstvy rostlé na SiO2 substrátech. Konkrétně jsme systematicky zvyšovali podíl CH4 vůči H2 z 2 na 15% a studovali, jak CH4 ovlivňuje chemické, strukturní a PL vlastnosti narostlých vrstev. Dále jsme zkoumali vliv diamantové bariéry, která byla na SiO2 substrát nadeponována před depozicí vrstvy obsahující SiV centra za účelem předejití kontaminace vzorků atomy Si ze substrátu. Pro studium strukturních změn jsme využili Ramanovu spektroskopii, skenovací elektronovou mikroskopii a mikroskopii atomárních sil. Zjistili jsme že s rostoucí koncentrací CH4 se diamantové Ramanovo maximum tenkých vrstev posouvá k hodnotě typické pro monokrystalický diamant, jednotlivá diamantová zrna tvořící polykrystalické diamantové vrstvy se zmenšují a drsnost povrchu se snižuje. Pro studium optických vlastností jsme využili časově nerozlišenou, časově rozlišenou a nízkoteplotní časově rozlišenou fotoluminiscenční spektroskopii. Pozorovali jsme posun SiV linie nulového fononu (ZPL) směrem k hodnotám naměřeným v monokrystalickém diamantu a mírné zkrácení času doznívání fotoluminiscence SiV ZPL s rostoucím množstvím CH4. Nakonec jsme zkoumali teplotní závislost 10-300 K polohy maxima, šířky a času doznívání PL SiV ZPL. Pozorovali jsme modrý posuv a rozšíření SiV ZPL a zkracování času doznívání PL SiV center se zvyšováním teploty.

Light-emitting negatively-charged silicon vacancy (SiV) centers can be formed at high densities in diamond thin films using the chemical vapor deposition process. Diamond thin films can be relatively cheaply fabricated on a large scale, which might be applicable in photonics or biosensing. However, the practical usage of the films is limited due to their polycrystalline nature causing the strain in the material and also the unwanted background photoluminescence (PL). To suppress the strain and the background PL we investigated the influence of deposition process parameters on the optical properties of diamond thin films grown on SiO2 substrates. Namely, we systematically increased the amount of CH4 to H2 from 2 to 15% and studied how it influences the chemical, structural and PL properties of the grown films. Furthermore, we investigated if the growth of a diamond barrier layer on the SiO2 prior to the deposition of the SiV rich diamond layer will prevent the contamination of the samples with Si from the substrate. To investigate the structural changes, we employed the tools of Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy. We found that with increasing the amount of CH4, the Raman diamond peak values increase towards values typical for monocrystalline diamond, the individual diamond grains forming the polycrystalline diamond films get smaller and the surface roughness value decreases. To investigate the optical properties, we employed the tools of steady-state, time-resolved and low temperature time-resolved micro-photoluminescence spectroscopy. We observed shift of the SiV zero phonon line (ZPL) towards the values measured in the monocrystalline diamond and slight decrease in SiV PL decay times with increasing the amount of CH4. Lastly, we investigated temperature 10-300K dependence of the SiV ZPL peak position and width, and the SiV ZPL decay times. We observed blue-shifting of the SiV ZPL peak position, broadening of the SiV ZPL, and shortening of the SiV PL decay times with increasing temperature.