NV and N2V color centers in electroluminescence spectra of diamond
Diamond, because of its unique properties, is a promising material for optoelectronic devices based on it: LEDs and lasers. The article examines the main optically active color centers of diamond, their characteristics and methods of production, and provides a literary overview of the most common light-emitting structures based on diamond - PIN-structures. The ways of creating these structures, their advantages and disadvantages, are considered. In the practical part of the work, it is shown that substitutional nitrogen can be embedded in the diamond structure and form, for example, such color centers as NV centers or N2V centers in two charge states. The color of the sample, the method of excitation and the intensity of luminescence, and the width of the emission spectrum depend on the method of inclusion, concentration, and charge state of the nitrogen color centers. The spectra of photoluminescence, cathodoluminescence and electroluminescence are considered using the example of two samples. The intensity of electroluminescence in both samples is noticeably lower than that of cathodoluminescence and photoluminescence. Optically active centers are determined based on the spectra. The analysis of peaks at a certain wavelength and the width of the spectrum allow us to identify and distinguish one center from another. In sample C122, nitrogen was embedded in the structure in the form of an NV center, and in sample C130 in the form of an N2V center. Since the intensity of electroluminescence directly depends on the current in the sample, Raman spectra are given to determine inhomogeneous inclusions affecting the flow of current. The analysis of Raman spectra shows the presence of non-diamond forms of carbon in samples such as carbine and graphite. The authors declare no conflicts of interests.
Keywords
diamond,
nitrogen-vacancy color centers,
structural defects,
electroluminescence,
photoluminescence,
cathodoluminescence,
transmission spectrum,
absorption spectrumAuthors
Vasilyeva Lyudmila A. | National Research Tomsk State University | wassil_93@mail.ru |
Borodulin Zakhar I. | National Research Tomsk State University; Institute of High Current Electronics SB RAS | zahar.borodulin12@gmail.com |
Shulepov Mikhail A. | National Research Tomsk State University; Institute of High Current Electronics SB RAS | |
Всего: 3
References
Lobaev M.A., Radishev D.B., Bogdanov S.A. Diamond p-i-n Diode with Nitrogen Containing Intrinsic Region for the Study of Nitrogen-Vacancy Center Electroluminescence // Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. 2020. Vol. 14 (11). Art. no. 2000347. P. 1-5. doi: 10.1002/pssr.202000347.
Богданов С.А. Горбачев А.М., Лобаев М.А., Радищев Д.Б. Создание локализованных ансамблей NV-центров в CVD-алмазе с помощью облучения электронным пучком // Письма в ЖТФ. 2019. № 46. С. 36-39. doi: 10.21883/PJTF.2019.06.47498.17634.
Fedyanin D. Yu., Agio M. Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures // New journal of physics. 2016. Vol. 18 (7). Art. no. 073012. P. 1-27. doi: 10.1088/1367-2630/18/7/073012.
Горбачев А.М., Лобаев М.А., Радищев Д.Б., Вихарев А.Л., Богданов С.А., Большедворский С.В., Зеленеев А.И., Сошенко В.В., Акимов А.В., Дроздов М.Н., Исаев В.А. Формирование многослойных наноструктур NV-центров в монокристаллическом CVD-алмазе // Письма в ЖТФ. 2020. № 46. С. 19-23.
Рубинас О.Р., Сошенко В.В., Большедворский С.В., Кожокару И.С., Зеленеевa А.И., Воробьев В.В., Сорокин В.Н., Вин В.Г., Смолянинов А.Н., Акимов А.В. Оптическое детектирование ансамбля С-центров в алмазе и когерентное управление им с помощью ансамбля NV-центров // Квантовая электроника. 2021. Т. 51, № 10. С. 938-946.
Pezzagna S., Meijer J. Quantum computer based on color centers in diamond // Applied physics review. 2021. № 8. Art. no. 011308.
Российский квантовый центр. URL: https://rqc.ru/backend/uploads/RQC_Annual_report_2023_web_rus_c515b7ed1f.pdf (дата обращения: 27.11.2024).
Dobrinets I.A., Vins V.G., Zaitsev A.M. HPHT-Treated Diamonds // Springer Series in Materials Science. 2013. Р. 1-270.
Кузьмин Е.В., Красин Г.К., Гулина Ю.С. Структурная микромодификация алмаза фемтосекундными лазерными импульсами через оптический контакт с нелинейной сильнорефрактивной иммерсионной средой // Письма в ЖЭТФ. 2024. № 4. С. 267272.
Вавилов B.C. Возможности и ограничения ионной имплантации в алмаз и их сопоставление с другими методами введения электрически активных примесей // Успехи физических наук. 1994. № 4. С. 429-433.
Большедворский С.В. Исследование центров окраски в алмазах и их агрегатах : дис.. канд. физ.-мат. наук. М., 2022. 104 с.
Екимов Е.А., Кондрин М.В. Примесно-вакансионные комплексы в алмазе: перспективы синтеза и применений // Успехи физических наук. 2017. С. 577-598.
Патент № 2816560 Российская Федерация. Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе / Бураченко А.Г., Винс В.Г., Генин Д.Е., Елисеев А.П., Липатов Е.И., Лыга О.И., Рипенко В.С., Чащин В.В., Шулепов М.А. № 2023136053, заявл. 29.12.2023; опубл.02.04.2024. Бюл. № 10. 7 с.
Burchard B., Zaitsev A.M., Fahrner W.R., Melnikov A.A., Denisenko A. V., Varichenko V.S. Diamond based light emitting structures // Diamond and related materials.1994. Vol. 3. P. 947-950.
Алмаз - основа квантовой связи и компьютеров будущего. URL: https://indicator.ru/physics/uchenye-zayavlyayut-chto-kvan-tovyj-almaz-stanet-osnovoj-kvantovoj-svyazi-i-kompyuterov-budushego-03-08-2016.htm (дата обращения: 27.11.2024).
Парфенов В.В., Закиров Р.Х. Полупроводниковый инжекционный лазер : методическое пособие. Казань : Казанский университет, 2014. 22 с.
Спицин Б.В., Алексеенко А.Е. Химическая кристаллизация алмаза и нанесение алмазных покрытий из газовой фазы // Защита металлов. 2007. Т. 43, № 5. С. 456-474.
Wang X., Wang L., Yhang B., Yao N. Eltctroluminescenc of diamond: Ce thin films // Semiconductor Science and Technology. 2003. Vol. 18. Р. 144-146.
Шуберт Ф.Е. Светодиоды. М. : Физматлит, 2008. 495 с.
Zaitsev А.М. Optical properties of diamond. Bochum : Springer, 2001. 486 р.