СПЕКТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ АЗОТОМ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 10-400 K
Аннотация
Исследованы спектры электрического импеданса синтетических монокристаллов алмаза, неравномерно легированных азотом в концентрации 300 - 600 ppm, преимущественно в виде А- и С-центров, при температурах 10 - 400 К в диапазоне частот 104 - 107 Гц. Выявлены характерные для разупорядоченных электронных систем свойства, и разделен вклад в общий сигнал объема исследованных экспериментальных образцов и контактных слоев с барьером Шоттки. В исследованном диапазоне температур активная часть электросопротивления возрастает в пределах одного порядка величины при понижении температуры, а зависимость от частоты переменного тока в диапазоне 104 -106 Гц обратнопропорциональна с показателем степени, изменяющимся в диапазоне (-0,8) – (-1,2), что характерно для перехода от мультипрыжковой проводимости к однопрыжковой. Диэлектрическая проницаемость исследованных легированных азотом монокристаллов алмаза слабо зависит от частоты в этом диапазоне и уменьшается примерно на 10% при понижении температуры, что также характерно для аморфных и разупорядоченных широкозонных полупроводников. Впервые выявлены аномалии в виде абсолютного локального минимума активной части сопротивления в области температур 210-270 К, положение которого смещается с изменением частоты сигнала, а также существенного, до одного порядка величины (на частоте 400 кГц), уменьшения сопротивления при температурах ниже 50 К. Эти аномалии могут быть вызваны перестройкой энергетического спектра носителей заряда, магнитным упорядочением парамагнитных азотных примесных центров и локальной сверхпроводимостью при низких температурах. Информация об энергетическом спектре носителей заряда и процессах переноса в области высоких частот необходима для создания различных квантовых оптоэлектронных устройств, на основе легированных азотом синтетических монокристаллов алмаза, как например, сенсоров и однофотонных источников излучения на основе плотных массивов одиночных NV-центров.
Литература
Khmelnitskii R. A., Talipov N.K, Chucheva G.V. Synthetic diamond for electronics and optics. M.: IKAR Publishing. 2017. 228 p. (in Russian).
Koizumi S., Umezawa H., Pernot J., Suzuki M. Power Electronics Device Applications of Diamond Semiconductors. A volume in Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. Elsevier Ltd., Woodhead Publishing. 2018. 433 p.
Bormashov V.S., Terentiev S.A., Buga S.G., Tarelkin S.A., Volkov A.P., Teteruk D.V., Kornilov N.V., Kuznetsov M.S., Blank V.D. Thin large area vertical Schottky barrier diamond diodes with low on-resistance made by ionbeam assisted lift-off technique. Diamond Rel. Mat. 2017. V. 75. P. 78-84. DOI: 10.1016/j.diamond.2017.02.006.
Polyakov A., Smirnov N., Tarelkin S., Govorkov A., Bormashov V., Kuznetsov M., Teteruk D., Buga S., Kornilov N., Leeb I.-H. Electrical properties of diamond platinum vertical Schottky barrier diodes. Materials Today: Proceedings. 2016. V. 3S. P. S159-S164.
Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Buga S.G., Volkov A.P., Golovanov A.V., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Teteruk D.V., Terentev S.A., Blank V.D. Electrical properties of high-quality synthetic boron-doped diamond single
crystals and Schottky barrier diodes on their basis. Zav. Lab. Diagn. nor. Mater. 2017. V. 54. N 1. P. 36-42 (in Russian).
Bormashov V., Troschiev S., Volkov A., Tarelkin S., Korostylev E., Golovanov A., Kuznetsov M., Teteruk D., Kornilov N., Terentiev S., Buga S., Blank V. Development of nuclear microbattery prototype based on Schottky barrier diamond diodes. Phys. Stat. Sol. A. 2015. V. 212. N 11. P. 2539-2547. DOI: 10.1002/pssa.201532214.
Reichmann M. P., Alexopoulos A., Artuso M. Diamond detector technology: status and perspectives. The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPSHEP2017). Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Department of Physics and Astronomy of the University of Padova. July 2017. Venice, Italy. P. 516-526.
Bernardi E., Nelz R., Sonusen S., Neu E. Nanoscale sensing using point defects in single-crystal diamond: recent progress on nitrogen vacancy center-based sensors. Crystals. 2017. V. 7(5). P. 124-1 -124-21. DOI: 10.3390/cryst7050124.
Robledo L., Childress L., Bernien H., Hensen B., Alkemade P.F.A., Hanson R. High-fidelity projective read-out of a solidstate spin quantum register. Nature. 2011. V. 477. P. 574–578.
Childress L. Hanson R. Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks. MRS Bull. 2013.
V. 38(2). P. 134–138. DOI: 10.1557/mrs.2013.20.
Prawer S., Aharonovich I. Quantum information processing with diamond. Elsevier/WP, Woodhead Publishing
is an imprint of Elsevier, 2014. 367 p.
Maurer P.C., Kucsko G., Latta C., Jiang L., Yao N.Y., Bennett S.D., Pastawski F., Hunger D., Chisholm N.,
Markham M., Twitchen D.J., Cirac J.I., Lukin M.D. Room-temperature quantum bit memory exceeding one
second. Science. 2012. V. 336. P. 1283–6. DOI: 10.1126/science.1220513.
Dhomkar S., Henshaw J., Jayakumar H., Meriles C.A. Long-term data storage in diamond. Sci. Adv. 2016. 2.
P. e1600911. DOI: 10.1126/sciadv.1600911.
Bernien H., Hensen B., Pfaff W., Koolstra G., Blok M.S., Robledo L., Taminiau T.H., Markham M., Twitchen D.J.,
Childress L., Hanson R. Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres. Nature. 2013. V. 497. P. 86–90. DOI: 10.1038/nature12016.
Shenderova O.A., Shames A.I., Nunn N.A., Torelli M.D., Vlasov I., Zaitsev A. Review Article: Synthesis, properties, and applications of fluorescent diamond particles. J. Vac. Sci. Technol. 2019. V. B 37(3). P. 030802-1 -27. DOI: 10.1116/1.5089898.
Rubinas О.R., Vorobyov V.V., Soshenko V.V., Bolshedvorskii S.V., Sorokin V.N., Smolyaninov A.N., Vins V.G., Yelisseyev A.P., Akimov A.V. Spin properties of NV centers in high-pressure, high-temperature grown diamond.
J. Phys. Commun. 2018. V. 2. P. 115003-1-12. DOI: 10.1088/2399-6528/aae992.
Trofimov S.D., Tarelkin S.A., Bolshedvorskii S.V., Bormashov V.S., Troshchiev S.Yu., Golovanov A.V., Luparev N.V., Prikhodko D.D., Terentiev S.A., Akimov A.V., Kargin N.I., Kukin N.S., Gusev A.S., Shemukhin A.A., Buga S.G., Blank V.D. Spatially controlled fabrication of single NV centers in IIa HPHT diamond. Opt. Mater. Express. 2020. V. 10. N 1. P. 198-207. DOI: 10.1364/OME.10.000198.
Blank V.D., Kuznetsov M.S., Nosukhin S.A., Terentiev S.A., Denisov V.N. The influence of crystallization temperature and boron concentration in growth environment on its distribution in growth sectors of type IIb diamond. Diamond Rel. Mat. 2007. V. 16. P. 800 – 804. DOI: 10.1016/j.diamond.2006.12.010.
Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Kuznetsov M.S., Tereniev S.A., Buga S.G., Semenov A.N. Electrical properties
of synthetic single crystal diamonds with different density of doping boron. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 7. P. 9–12 (in Russian).
Lakatos A.I., Abkowitz M. Electrical properties of amorphous Se, As2Se3, and As2S3. Phys. Rev. B. 1971.
V. 3. P. 1791-1800.
Long A.R. Frequency-dependent loss in amorphous semiconductors. Adv. Phys. 1982. V. 31. N 5. P. 553-637. DOI: 10.1080/00018738200101418.
Poklonskiy N.A., Gorbachuk N.I. Bases of impedance spectroscopy of composites: a course of lectures. Minsk:
Belarus State University publishing house. 2005. 130 p. (in Russian).
Saha S., Das A.K., Hatada R., Ensinger W., Flege S., Baba K., Meikap A.K. Electrical transport properties of
Ni-doped diamond-like carbon films at and above room temperature. J. Appl. Phys. 2019. V. 126. P. 154104-1-
-11. DOI: 10.1063/1.5118871.
Mumtaz M., Naveed M., Amin B., Imran M., Nasir Khan M. Temperature dependent impedance spectroscopy
of (Co3O4)x/CuTl-1223 nanoparticles-superconductor composites. Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 4351–4359. DOI:
1016/j.ceramint.2017.12.029.
Ashfold M. N. R., Goss J.P., Green B.L., May P.W., Newton M.E., Peaker C.V. Nitrogen in diamond. Chem. Rev. 2020. V. 120. N 12. P. 5745-5794. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00518.
Barzola-Quiquia J., Stiller M., Esquinazi P.D., Molle A., Wunderlich R., Pezzagna S., Meijer J., Kossack W.,
Buga S. Unconventional magnetization below 25 K in nitrogen-doped diamond provides hints for the existence
of superconductivity and superparamagnetism. Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 8743-1 – 8743-14. DOI: 10.1038/s41598-019-45004-61.
