【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.10.23】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22WS0035
利用課題名 / Title
ダイヤモンド表面へのナノピラー配列の作製
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
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）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
ダイヤモンド，NVセンター，量子計測，パルスODMR，量子ヘテロダイン計測,電子顕微鏡/Electron microscopy,リソグラフィ/Lithography,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,EB
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)
齋藤 大樹
所属名 / Affiliation
早稲田大学理工学術院
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
大谷 和毅,Akirabha Chanuntranont
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
谷井 孝至,加藤 篤
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-015：電子ビーム描画装置
WS-007：ICP-RIE装置
WS-012：電界放出型 走査電子顕微鏡
WS-011：電界放出型 走査電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
高屈折率材料としての単結晶ダイヤモンドは，内包するNVセンターの蛍光が結晶表面で内部に全反射する点において，必ずしも光磁気共鳴計測(ODMR)に好適な母材でない。他方，リソグラフィーやエッチングといった微細加工を施すと，NVセンターの充分なコヒーレンス時間および電荷安定性を維持するのに課題があった。ここでは，ナノピラー表面に浅い単一NVセンターを形成するプロセスを検討し，単一NVセンターからの蛍光の収集効率を増大させ，その単一NVセンターを用いた量子ヘテロダイン計測の実行可能性を評価する。
実験 / Experimental
12C濃縮薄膜(純度99.95%)をCVD成長させ，15Nイオン注入(2.5 keV, 1.5 x 1011 cm-2)と熱処理(水素アニール: 1000 ℃, 2 h)を施し，表面全体に浅いNVセンターを形成した12C濃縮CVD薄膜(純度99.95%)を有するダイヤモンドIb (100)結晶基板を用いた。電子線リソグラフィー(50 keV)により2層レジスト(230 nm厚PMGI 上の220 nm厚ZEP-520A)に異なる直径の円形パターン(ナノピラー中のNVセンターは平均3個)を配列形成し，リフトオフによる円形蒸着Ti薄膜(70 nm厚)をマスクとして，O2プラズマを用いたICP-RIEによりナノピラーを形成した。
結果と考察 / Results and Discussion
円形にパターニングされた蒸着Ti薄膜(70 nm厚)をマスクとして，O2プラズマを用いたICP-RIEにより，直径と高さの異なるナノピラーを配列形成した。直径96 nm，高さ260 nmのナノピラーにおいて，制御ソフトウェアQudi [8]を搭載したLab-madeの共焦点顕微鏡(LPF 647 nm, 単一光子検出器) を用いて，ナノピラー中に形成したNVセンターのパルスODMR計測を行った。励起光(波長532 nm)照射時のピラー中の浅い単一NVセンターの発光強度は，平坦な表面に形成した浅い単一NVセンターに比して約3.5倍に増加した。Fig. 1は静磁場強度30 mT (Nd磁石)のもと，自作コイルにアンプ(33 W)を介して2 MHzの交流を通じて得られたQdyne(XY8-8により位相を蓄積)による交流磁場計測結果である。計測時間は1000 s，光収集率の低いエアーレンズ(50×, N.A. 0.95)を用いた結果である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.1 FFT spectrum of radio wave obtained by Qdyne measurements. A bird’s-eye view of the nanopillar is shown in the inset.
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)
-
Akirabha Chanuntranont, Enhancing photon collection from single shallow nitrogen-vacancy centers in diamond nanopillars for quantum heterodyne measurements, Applied Physics Express, 16, 082006(2023).
DOI: doi.org/10.35848/1882-0786/acede9
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 齋藤 大樹, 大谷 和毅, Akirabha Chanuntranont, 上田 優樹, 津川 雅人, 三宅 悠斗, 臼井 俊太郎, 寺地 徳之, 小野田 忍, 品田 高宏, 川原田 洋, 谷井 孝至：第70回応用物理学会 春季学術講演会
- Akirabha Chanuntranont, Daiki Saito, Kazuki Otani, Tomoki Ota, Masato Tsugawa, Yuto Miyake, Shuntaro Usui, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii "Alternating magnetic field detection using a single shallow NV center in a nanopillar fabricated in the diamond surface" 量子生命科学会第５回大会，2023年5月18日，大阪大学豊中キャンパス
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