【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24WS0002
利用課題名 / Title
ダイヤモンド中のSiVセンターを用いた単一光子源開発
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学 / Waseda Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by 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）-
【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
ダイヤモンド,SiVセンター,単一光子源,ナノピラー,電子線リソグラフィ/ EB lithography,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
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)
谷井 孝至
所属名 / Affiliation
早稲田大学 基幹理工学研究科 電子物理システム学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
石井智己,大本将也,Coe Lindsay isabelle
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
星野勝美,野﨑義人,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-003：電子ビーム蒸着装置
WS-007：ICP-RIE装置
WS-012：電界放出型 走査電子顕微鏡
WS-015：電子ビーム描画装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ダイヤモンド中のSiVセンターは、褪色や明滅がなく、鋭い蛍光スペクトルを有することから、量子センシング（温度計測）、量子通信（単一光子源）、生体分子の蛍光標識（蛍光色素代替）への応用が期待されている。しかしながら、ダイヤモンドへのSiイオン注入により形成されるSiVセンターは、CVD合成中の不純物としてSiを取り込ませて形成されるSiVセンターよりも低い蛍光強度を示す。イオン注入はSiVセンターの位置制御性に優位であることから、Siイオン注入によるSiVセンターが低い蛍光強度を示す原因、さらには、多少の蛍光強度の減少を補完できるダイヤモンド表面構造の作製が求められる。本研究では、ダイヤモンド表面に円柱(ナノピラー)構造を作製することでSiVセンターの蛍光強度増大を試みた。
実験 / Experimental
基本的なプロセスは、2層レジストによるEB描画、Ti薄膜蒸着とリフトオフによるパターニング、Tiパターンをマスクとする酸素プラズマ中のドライエッチングからなる。FDTD光学シミュレーションによる予測では、直径200nm、高さ500nmのナノピラーの上面近傍にSiVセンターを形成すると、ダイヤモンドの外側（空気側）への光子放出が増強されることを見出している。よって、この形状のナノピラーの作製を試みた。ナノピラー作製後、レーザー走査型共焦点顕微鏡を用いたフォトルミネッセンス測定を行い、ナノピラー構造有無での蛍光強度の比較を行う。
結果と考察 / Results and Discussion
上記のプロセスにより、ダイヤモンド基板表面にナノピラー配列が形成された（図1）。SEM観察により、目標設計（円柱直径 200 nm、円柱高さ 500 nm）に近い構造が得られたことをSEMで確認した。また、フォトルミネッセンススペクトルは蛍光の由来がSiVセンターであることを示した。さらに、2次自己相関関数測定を行いナノピラー1個あたりのSiVセンターの個数を評価した。Siイオン注入濃度が高く、少なくとも2個以上のSiVセンターが含まれており単一のSiVセンターを含むナノピラーを作製できなかったが、ナノピラー作製によりSiVセンター1個あたりの蛍光強度が約2倍となったことを実験的に示した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 電子線リソグラフィとドライエッチングにより形成したダイヤモンドナノピラーのSEM像
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Masaya Omoto, Tomoki Ishii, Lindsay Coe, and Takashi Tanii, "Enhancing photodetection rate of silicon-vacancy centers in diamond by nanopillar fabrication"The 4th International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA2024)(Tokyo)，2024年10月3日
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