Photolumineszenzstudien von NV- und SiV-Zentren in Diamant-Nanostrukturen und -Nanopartikeln

Diamant weist eine einzigartige Kombination physikalischer und chemischer Eigenschaften auf, die dieses Material für die Bio- und Optoelektronik und das Quantencomputing vielversprechend machen. Er ist chemisch stabil, verträgt sich mit biologischem Gewebe und seine Oberfläche kann durch eine breite Palette funktioneller Gruppen modifiziert werden. Die herausragenden Eigenschaften von Diamant werden durch optisch aktive Zentren vervielfacht. Eine der Herstellungsmethoden basiert auf dem plasmachemischen Ätzen von Si-Substraten oder Si enthaltenden Teilen der Versuchsapparatur während der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), wobei die negativ geladenen Silizium-Leerstellen-Farbzentren (SiV) auf natürliche Weise in Diamanten eingebaut werden. Die Besonderheit der SiV-Zentren liegt in der hellen und spektral schmalen Photolumineszenz (PL) bei Raumtemperatur, mit einer kurzen Abklingzeit von etwa 1 ns und ihrer hohen Photostabilität. Außerdem werden SiV-Zentren in Diamant oft im Zusammenhang mit Anwendungen als Einzelphotonenquellen oder biokompatible Fluoreszenzmarker für die Bio-Bildgebung genannt, wo sie die kürzlich verwendeten Stickstoff-Vakanzzentren (NV) übertreffen könnten. Heutzutage sind die erwähnten PL-Eigenschaften von SiV-Zentren für die optische Sensorik interessant geworden. Es wurde gezeigt, dass die PL-Intensität von SiV-Zentren empfindlich auf die Oberflächenbeschaffenheit von Diamant-Dünnschichten reagiert.

Dieser Befund impliziert, dass durch die Wahl der funktionellen Gruppen die PL-Aktivität der Zentren gesteuert werden kann, d.h. dass das PL in der Nähe von Biomolekülen ein- oder ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus spiegelt das PL im Allgemeinen die Kopplung des Zentrums mit der lokalen Umgebung wider. Nur eine kleine Veränderung im System führt zu spürbaren Veränderungen in der PL-Antwort, was es ermöglichen würde, die Entwicklung des untersuchten Systems zu erkennen. Das NV-Zentrum in Diamant wird auch intensiv für sensorische Anwendungen untersucht. Sein spin-abhängiges Fluoreszenzsignal kann in der Tat zum Nachweis winziger Magnetfelder und zur Temperaturmessung im Nanobereich verwendet werden.

Da das NV-Zentrum auch in Diamant natürlich vorkommt, glauben wir, dass eine kombinierte Untersuchung von SiV und NV in Diamant-Nanostrukturen für die Entwicklung neuartiger Sensoransätze von Interesse wäre. Außerdem ist die kontrollierte Herstellung von SiV- und NV-Zentren in nanoskaligem Diamant immer noch eine Herausforderung. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Verwendung neuer Plasmachemie (auf CO2-Basis oder durch Dotierung aus einer flüssigen Quelle) neue Herausforderungen für das Wachstum von hochwertigen Diamantschichten mit intrinsischem oder dotiertem Charakter bietet. Hier können die Zentren mit beiden Ansätzen, d.h. von unten nach oben (BU) bzw. von oben nach unten (TD), hergestellt werden. Darüber hinaus können die Zentren durch Protonen- oder Elektronenbestrahlung und anschließendes thermisches Ausglühen aktiviert werden. Darüber hinaus können die PL-Parameter durch die Temperatur und lokale elektromagnetische Felder beeinflusst werden, so dass eine geschickte Kombination von NV- und SiV-Zentren genutzt werden kann, um mehrere Parameter gleichzeitig zu erfassen.

Schwerpunktbereiche des Projekts

• Das Projekt konzentriert sich auf die ergänzenden Studien der deutschen Partner des Labors für Nano-Optik der Universität Siegen, die fortgeschrittene optische Methoden wie Mikro-Raman- und PL-Spektroskopie, Fluoreszenz-Lebensdauer-Imaging-Mikroskopie (FLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) sowie optisch detektierte magnetische Resonanz (ODMR) in Kombination mit Polarimetrie bereitstellen werden.

• Dünne Diamantfilme und Diamant-Nanokristalle mit integrierten Lumineszenz-Farbzentren werden von den tschechischen Partnern am Institut für Physik der CAS hergestellt und verarbeitet, einer Gruppe, die über profunde Fachkenntnisse auf dem Gebiet der Diamantherstellung, der Strukturierung und der optischen Eigenschaften von Farbzentren in Diamant verfügt.

• Auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse wird eine Optimierung der Systeme vorgeschlagen, die in Zukunft zu Anwendungen in der multiparametrischen Sensorik im Nanomaßstab führen könnte.

Dieses Projekt wird vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD ) im Rahmen der "Programme für projektbezogenen Personalaustausch (PPP) ab 2024 mit der Tschechischen Republik" finanziert.

Kooperationspartnerin: Kateřina Aubrechtová Dragounová, Institut für Physik, Tschechische Akademie der Wissenschaften (CAS)