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

doi:10.7503/cjcu20210135

Abstract

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

CLC Number:

O649.4

TrendMD:

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

Figures/Tables 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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