利用報告書 / User's Report | ARIM Japan公式ホームページ_マテリアル先端リサーチインフラ

【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.04.24】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22RO0013

利用課題名 / Title

2次元薄膜窒化ホウ素へのイオン注入法による室温スピン操作可能な新規スピン欠陥の創製

利用した実施機関 / Support Institute

広島大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

量子センサ、2次元材料、hBN,リソグラフィ/Lithography,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,スパッタリング/Sputtering,蒸着・成膜/Evaporation and Deposition

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山崎雄一

所属名 / Affiliation

量子科学技術研究開発機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

RO-112：マスクレス露光装置
 RO-113：マスクレス露光装置
 RO-121：スピンコータ
 RO-131：レイアウト設計ツール
 RO-221：酸化炉

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

イオン注入により窒化ホウ素へ様々な単・複合欠陥を生成、それらの光学特性を調べることで、室温動作可能な新規スピン欠陥を見出す。

実験 / Experimental

hBN微結晶からテープ転写法により、今回の技術代行により作製いただいたパターン付きSiO2/Si基板上に転写したhBNフレークを試料として用いた(図1)。N2イオン照射(40keV, 1e15/cm-2, 試料温度=室温〜800℃)によりスピン欠陥であるボロン空孔(V_B)をフレーク中に形成した。試料評価として、フォトルミネッセンス(PL)および光検出磁気共鳴(ODMR)を行い、量子センサとしての基本特性を評価した。本研究課題では、RO-321（スパッタ装置（Al用））、RO-324（多元スパッタ装置）、RO-331（真空蒸着装置）も利用して実験を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

図2, 3にPLおよびODMR信号コントラストの処理温度依存性をそれぞれ示す。比較のため、室温イオン照射後にポストアニールを行った結果も併せて示している。ポストアニールでは600℃でPL信号が消失するのに対して、高温イオン照射では700℃でも信号が観察された。これは、高温照射では、V_Bの生成と熱処理による消失が同時に進行することで、より高温でもV_Bが残るためと考えられる。ODMR信号コントラストについては、それぞれの処理において最もPL信号が強くなる温度で最も高いコントラストが得られた。両処理で最高コントラストに差は認められなかった。図4はゼロ磁場分裂項(ZFS)Eの処理温度依存性である。Eは結晶歪みに関係するパラメータであり、イオン照射による結晶損傷が大きいほどEも大きくなると考えられる。600℃以下では、両処理ともほとんど変化がないが、600℃以上で明らかにEが減少している。これから、高温イオン照射は、導入される結晶損傷量の少ないV_B形成方法と言える。ODMR信号コントラストでは優位性は認められなかったが、T₂(スピンコヒーレンス時間)等、より影響を受けやすいと推測されるスピン特性を調べることで、高温イオン照射の優位性が示されることが期待される。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 光学顕微鏡像

図2 PL強度処理温度依存性

図3 ODMR信号コントラスト処理温度依存性

図4 ZFS E処理温度依存性

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Tetta Suzuki, Spin property improvement of boron vacancy defect in hexagonal boron nitride by thermal treatment, Applied Physics Express, 16, 032006(2023).
DOI: 10.35848/1882-0786/acc442

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

2022 International conference on diamond and carbon materials T. Suzuki, Y. Yamazaki et al.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件