研究背景
金刚石中的氮-空位（NV）色心是一种带负电的点缺陷结构，因其在室温下具有毫秒级的长相干时间，易通过激光进行初始化及读取的优点，成为了优异的固态自旋体系，尤其是在量子磁传感领域展现出了巨大应用前景。NV色心量子磁传感器具有单核自旋灵敏度及亚纳米尺度空间分辨率的优点，可应用于生物、物理及化学等领域的磁场精密测量。
为了使得NV色心量子传感器保持高灵敏度及高分辨率，NV色心需要制备在接近于表面处，然而，金刚石表面终端结构对近表面NV色心可能有三种负面影响。第一，常见金刚石氢终端等表面因其具有负电子亲和能，易导致近表面NV色心无法保持其负电荷态，进而使得NV色心失效；第二，例如常见的氧终端金刚石面因其表面能带的禁带中间杂质能级较多，易于引起NV色心荧光闪烁现象；第三，金刚石表面可能存在的磁噪声对NV色心磁探测会产生干扰。因此，设计出无上述三种负面影响的金刚石终端结构，对保证近表面NV色心的稳定性尤为重要。
文章简介
武汉大学工业科学研究院刘胜教授课题组在碳材料国际期刊Carbon上发表题为“Fluorine-terminated diamond (110) surfaces for nitrogen-vacancy quantum sensors”的研究工作。该项工作通过GPU加速平面波密度泛函软件PWmat系统提出了面向NV色心的氟终端金刚石（110）面，研究了表面终端结构对NV色心影响。
该项工作的计算模型及参数如下所示：
(1)PWmat计算模型：金刚石(110)面模型，碳原子层18层，真空层厚度16埃米，1 × 2 超胞。
(2)PWmat计算参数：截断能：70Ry；K点密度：8 × 6 × 1；泛函：PBE及HSE06
(3)PWmat计算内容：结构优化、自洽、DOS、能带、电荷密度、第一性原理分子动力学、不同温度及压力下的形成焓、基于弗兰克-康登原理的电子跃迁等
该项工作计算了氟终端，氢终端，氮终端以及氧终端金刚石（110）面的能带图及DOS图（图1、2、3）。研究发现，氟终端金刚石（110）面理论上满足正电子亲和能、无禁带杂质能级、无表面磁性噪声等优势，适用于近表面NV色心量子传感器。另外，通过计算第一性原理分子动力学（图4）、不同温度及压力下的形成焓（图5），确认了氟终端表面的热稳定性及可制备性。另外，通过计算近表面的NV色心电子跃迁（图6及S8），确认了NV色心在深度1nm左右时，氟终端不会对NV色心荧光效应产生影响。值得一提的是，使用PBE泛函会低估金刚石禁带宽度（Ebandgap（PBE）≈4.2eV，Ebandgap（实验值）≈5.47eV）, 使用HSE06泛函可以较好吻合实验值（Ebandgap（HSE06）≈5.5eV），因此使用HSE06泛函可保证了该项工作的计算精度；而通过PWmat系统使用HSE06泛函，计算速度很快，保证了该项工作的效率。
图1. (a)氟终端，(b)氢终端，(c)氮终端以及(d)氧终端金刚石（110）面结构的侧视图及俯视图。黑色虚线代表了1 × 2超胞。氟、氢、氮、及氧元素分别用绿色、白色、橙色及红色球体代表。表面第一层碳原子及第二层碳原子分别用紫色及灰色的原子。
图2. 氟终端（110）面的（a）PDOS图及（b）能带图。虚线表示费米能级位置。价带顶的能量设置为0。
图 3. （a）氢终端、（b）氮终端及（c）氧终端金刚石（110）面的PDOS图、能带图及电荷密度图。
图4. 氟终端金刚石（110）面在500K温度下的AIMD仿真。
图5. 氟终端金刚石（110）面的在不同压力及温度下的形成焓。
图6. (a)氟终端金刚石（110）面。（b）NV色心的电子自旋密度图及N施主。（c）NV色心缺陷能级图. 上述计算使用的是HSE06泛函。
图S8. 基于弗兰克-康登原理的电子跃迁图，表示了NV色心的激发及荧光过程。其中ZPL代表了零声子线。
文章信息
第一作者：沈威#，副研究员；吴改#，副研究员
通讯作者：刘胜*，教授；申胜男*，副教授
其他作者：李辉 教授，李立杰 教授（英国斯旺西大学工程学院），邹迪玮
单位：武大大学工业科学研究院；英国斯旺西大学工程学院；武大大学深圳研究院；武汉大学动力与机械学院
Wei Shen#, Gai Wu#, Lijie Li, Hui Li, Sheng Liu*, Shengnan Shen*, Diwei Zou. Fluorine-terminated diamond (110) surfaces for nitrogen-vacancy quantum sensors. Carbon, 2022, 193:17-25.
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.02.017
来源：计算材料学
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