金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应

doi:10.7503/cjcu20210135

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 2178.doi: 10.7503/cjcu20210135

金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应

胡伟，刘小峰，李震宇，杨金龙

合肥微尺度物质科学国家研究中心, 中国科学技术大学, 合肥 230026

收稿日期:2021-03-01 出版日期:2021-07-10 发布日期:2021-05-20
基金资助:
国家自然科学基金(21688102);中国科学院先驱百人计划(KJ2340000031);国家重点研发计划项目(2016YFA0200604);安徽量子信息技术计划(AHY090400);中国科学院战略重点研究计划(XDC01040100);中央大学基础研究基金(WK2340000091);中国科学技术大学研究启动补助金(Y2340000094);中国科学技术大学学术领先人才培训计划(KY2340000103)

Surface and Size Effects of Nitrogen-vacancy Centers in Diamond Nanowires

HU Wei, LIU Xiaofeng, LI Zhenyu, YANG Jinlong()

Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2021-03-01 Online:2021-07-10 Published:2021-05-20
Contact: YANG Jinlong E-mail:jlyang@ustc.edu.cn
Supported by:
This paper is supported by the National Natural Science Foundation of China(21688102);the Pioneer Hundred Talents Program of Chinese Academy of Sciences(KJ2340000031);the National Key Research and Development Program of China(2016YFA0200604);the Program Anhui Initiative in Quantum Information Technologies, China(AHY090400);the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDC01040100);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(WK2340000091);the Research StartUp Grants(KY2340000094);the Academic Leading Talents Training Program(KY2340000103);from University of Science and Technology of China

摘要/Abstract

摘要：

使用大规模自旋极化密度泛函理论计算研究了表面修饰和尺寸对金刚石纳米线(DNs)中氮空位(NV)色心的几何结构、电子结构、磁性和稳定性的影响. 理论上设计了几种不同的DNs, 这些DNs具有不同的表面修饰(干净、氢化和氟化), 并且直径达数百个原子. 实验结果证明, 中性(NV⁰)和带1个负电荷(NV^-)的NV色心的电子结构不受半导体表面修饰和DNs直径大小的影响, 但NV色心的稳定性对这两个因素具有不同的响应. 此外, 研究中还发现, 由于DNs中存在圆柱形表面电偶极子层, 对DNs中掺杂的NV^-色心的稳定性, 表面改性诱导了不依赖尺寸的长程效应. 特别地, 对于n型氟化金刚石表面, 掺杂在DN中的NV^-色心可以稳定存在, 而对于p型氢化表面, NV⁰则相对更稳定. 因此, 表面修饰为控制金刚石纳米线中的NV色心的电子结构和稳定性提供了一种精确有效的调控方法.

关键词: 氮空位色心, 表面与尺寸效应, 密度泛函理论

Abstract:

To control the electronic structures and stability of nitrogen-vacancy（NV） center in diamond is crucial for their practical applications. The surface and size effects on the structural， electronic， magnetic properties and stability of NV centers doped in diamond nanowires（DNs） were systematically investigated via large-scale spin-polarized density functional theory calculations. We theoretically design several types of DNs with different surface modifications（clean， hydrogenated and fluorinated） and the diameter sizes up to hundreds of atoms. It demonstrated that the electronic structures of neutral NV⁰ and negative NV^-centers are not affected by semiconducting surface modifications and diameter sizes of DNs， but the stability are sensitive to these two effects. Furthermore， we find that the surface modifications induce a size-independent and long-range effect on the stability of the NV^-center doped in DNs due to the cylindrical surface electric dipole layer in DNs. In particular， the NV^- center doped in DNs can be stabilized for n-type fluorinated diamond surfaces， while NV⁰ is relatively more stable for p-type hydrogenated surfaces. Therefore， surface modification provides a precise and effective way to control the electronic structures and stability of charged defects in semiconductors.

Key words: Nitrogen-vacancy center in diamond, Surface and size effect, Density functional theory

中图分类号:

O649.4

TrendMD:

胡伟, 刘小峰, 李震宇, 杨金龙. 金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2178.

HU Wei, LIU Xiaofeng, LI Zhenyu, YANG Jinlong. Surface and Size Effects of Nitrogen-vacancy Centers in Diamond Nanowires. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2178.

图/表 5

Fig.1 Top and side views of atomic structures of clean C3_3_C(A), hydrogenated C3_3_H(B), fluorinated C3_3_F cylindrical DNs(C), and the corresponding electronic band structures(D―F)The white, blue and gray balls denote hydrogen, fluorine and carbon atoms, respectively. The Fermi level is denoted by green dotted lines. The red solid line represents the repeating unitcell of the nanowire along the z direction.

Fig.2 Total density of states(DOS)(A—F) and spin?density isosurfaces(A′—F′) for NV centers doped in DNs with three different surface modifications（A） NV0 in C3_3_C；（B） NV0 in C3_3_H；（C） NV0 in C3_3_F；（D） NV- in C3_3_C；（E） NV- in C3_3_H；（F） NV- in C3_3_F. The red and blue color lines（or isosurfaces） represent spin-up and spin-down states， respectively. The white， blue and gray balls denote hydrogen， fluorine and carbon atoms， respectively. The Fermi level is set to zero and denoted by green dotted lines.

Fig.3 Total density of states(DOS) for NV centers doped hydrogenated and fluorinated DNs with different diameters（A） NV0 in C4_3_H；（B） NV0 in C4_5_H；（C） NV0 in C6_5_H；（D） NV0 in C4_3_F；（E） NV0 in C4_5_F；（F） NV0 in C6_5_F；（G） NV- in C4_3_H；（H） NV- in C4_5_H；（I） NV- in C6_5_H；（J） NV- in C4_3_F；（K） NV- in C4_5_F；（L） NV- in C6_5_F. The red and blue color lines represent spin-up and spin-down states， respectively. The Fermi level is set to zero and denoted by green dotted lines.

Fig.4 Formation energy(Eform) of two NV centers(NV0 and NV-) doped in hydrogenated(H) and fluorinated (F) DNs(A), and [NV-]/[NV0] ratio in fluorinated(B) and hydrogenated DNs(C) as a function of temperatureFor NV centers doped in bulk diamond, Eform(NV0)=7.58 eV and Eform(NV-)=5.86 eV.

Fig.5 Electric potential jump produced by a surface electric dipole layer(A) and a cylindrical surface electric dipole layer(B)

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