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DIAMOND CRYSTAL, DIAMOND ELEMENT, MAGNETIC SENSOR, MAGNETIC MEASUREMENT DEVICE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SENSOR ARRAY

Foreign code F150008519
File No. AF41-01WO
Posted date Nov 19, 2015
Country WIPO
International application number 2015JP000193
International publication number WO 2015107907
Date of international filing Jan 19, 2015
Date of international publication Jul 23, 2015
Priority data
  • P2014-008127 (Jan 20, 2014) JP
Title DIAMOND CRYSTAL, DIAMOND ELEMENT, MAGNETIC SENSOR, MAGNETIC MEASUREMENT DEVICE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SENSOR ARRAY
Abstract Provided is a technique for making two-dimensional magnetic measurement with high sensitivity possible at normal temperature in the atmosphere. The diamond crystal pertaining to the present invention is characterized by having an NV region including a complex (NV center) of nitrogen substituted for a carbon atom and a vacancy adjacent to the nitrogen on or near the surface thereof, the NV region having a donor concentration equal to or greater than the concentration of the NV center, or the crystal in the NV region being the (111) face or a face having an off angle no more than ±10° of the (111) face, and the principal axis of the NV center being a <111> axis orthogonal to the (111) face. Through such a diamond crystal, substantially 100% of the NV center can be placed in a negatively charged state (NV-), the spin state of the NV- center can be aligned in one direction, and ODMR signal peaks also become sharp. Through the sensor array pertaining to the present invention, the NV center generated in the diamond crystal can be maintained in the negatively charged state (NV-).
Scope of claims (In Japanese)[請求項1]
表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有し、該NV領域はNV中心の濃度以上のドナー濃度を有している、ことを特徴とするダイヤモンド結晶。
[請求項2]
表面乃至表面近傍に、炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含むNV領域を有し、前記NV領域の結晶面が{111}面若しくは{111}面と±10°以内のオフ角を有する面であり、前記NV中心の主軸が前記{111}面に直交する<111>軸である、ことを特徴とするダイヤモンド結晶。
[請求項3]
前記ドナー濃度は、10×1015cm-3~10×1019cm-3の範囲にある、請求項1または2に記載のダイヤモンド結晶。
[請求項4]
前記NV領域は、CVD法若しくは高温高圧法(HPHT法)により成長させた窒素ドープのダイヤモンド結晶膜に形成されている、請求項1~3の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶。
[請求項5]
請求項1~4の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶を用いたダイヤモンド素子。
[請求項6]
ダイヤモンドを用いた素子であって、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域に接して、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されている、ことを特徴とするダイヤモンド素子。
[請求項7]
前記第1領域が平面内で2次元的に周期配列されており、前記第1領域のそれぞれの側面若しくは周囲に、該第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域が形成されている、請求項6に記載のダイヤモンド素子。
[請求項8]
前記第2領域はn型のダイヤモンドからなり、前記第1領域はi型乃至はp型のダイヤモンドからなる、請求項6または7に記載のダイヤモンド素子。
[請求項9]
前記第2領域はn型のダイヤモンドからなり、前記第1領域は、pn接合により形成される空乏領域である、請求項6に記載のダイヤモンド素子。
[請求項10]
前記第2領域はドナーレベルが1×1018cm-3以上のn型の導電型を有している、請求項6~9の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項11]
ダイヤモンドを用いた素子であって、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を含む第1領域の一方主面側に、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられている、ことを特徴とするダイヤモンド素子。
[請求項12]
前記第1領域が平面内で2次元的に周期配列されており、前記第1領域のそれぞれの一方主面側には、正電位を印加するための電極が絶縁膜を介して設けられている、請求項11に記載のダイヤモンド素子。
[請求項13]
前記第1領域に接して、該第1領域よりも低いNV中心濃度を有する第2領域が形成されている、請求項6~12の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項14]
前記第1領域の結晶面が{111}面若しくは{111}面と±10°以内のオフ角を有する面であり、前記NV中心の主軸が前記{111}面に直交する<111>軸である、請求項6~13の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項15]
前記第1領域は、該第1領域のNV中心の濃度以上のドナー濃度を有している、請求項6~14の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項16]
前記ドナー濃度は、10×1015cm-3~10×1019cm-3の範囲にある、請求項6~15の何れか1項に記載のダイヤモンド結晶。
[請求項17]
前記ダイヤモンドは、基板上にCVD法若しくは高温高圧法(HPHT法)で形成されたダイヤモンド膜である、請求項6~16の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項18]
前記第1領域を含むダイヤモンド結晶部の上下面側若しくは側面側に、互いに対向して設けられた少なくとも2つの電極を有する電界生成部を更に備えている、請求項6~17の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項19]
前記第1領域の周期配列は、前記平面を上方から眺めたときに、2次元正方格子の各格子点に前記第1領域の中心が位置している正方周期配列である、請求項7~10または12~18の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項20]
前記第1領域の周期配列は、前記平面を上方から眺めたときに、特定の第1領域の中心位置を中心点とする正六角形の6つの頂点のそれぞれに他の第1領域の中心が位置している六方充填配列である、請求項7~10または12~18の何れか1項に記載のダイヤモンド素子。
[請求項21]
請求項6~20の何れかに記載のダイヤモンド素子を用いた磁気センサーであって、前記第1領域のそれぞれの表面から射出する光信号であって、前記NV中心の電子スピン共鳴に起因して生じる光信号を検知する光センサーを備えている、磁気センサー。
[請求項22]
請求項21に記載の磁気センサーを備えた磁気計測装置であって、前記ダイヤモンド素子に対向して設けられた試料ステージと、前記ダイヤモンド素子に青緑色光を照射する光学系と、前記ダイヤモンド素子に周波数可変のマイクロ波を照射するマイクロ波生成部と、前記光センサーで検知した前記NV中心の電子スピン共鳴に起因して生じた光信号を処理する信号処理部と、を備えた磁気計測装置。
[請求項23]
前記第1領域を含むダイヤモンド結晶部の上下面側若しくは側面側に、互いに対向して設けられた少なくとも2つの電極を有する電界生成部を更に備えている、請求項22に記載の磁気計測装置。
[請求項24]
板状のダイヤモンドの表面に2次元的に周期配列する柱状部を第1領域として形成し、該第1領域のそれぞれに、前記ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)を形成し、前記第1領域のそれぞれの周囲を取り囲む第2領域であって、前記第1領域よりも高いドナー濃度を有する第2領域を形成する、ことを特徴とするセンサーアレイの製造方法。
[請求項25]
前記第1領域の一方主面側に、正電位を印加するための電極を、絶縁膜を介して設ける、ことを特徴とする請求項24に記載のセンサーアレイの製造方法。
[請求項26]
板状のダイヤモンドの主面上に、ダイヤモンドからなる異種導電型の接合部であって、該接合部の領域に、ダイヤモンドの炭素原子を置換した窒素(N)と該窒素に隣接する空孔(V)の複合体(NV中心)が形成された異種導電型の接合部を複数形成する、ことを特徴とするセンサーアレイの製造方法。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • JAPAN SCIENCE AND TECHNOLOGY AGENCY
  • NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
  • Inventor
  • HATANO MUTSUKO
  • IWASAKI TAKAYUKI
  • MIZUOCHI NORIKAZU
  • MAKINO TOSHIHARU
  • KATO HIROMITSU
  • YAMASAKI SATOSHI
IPC(International Patent Classification)
Specified countries National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JP KE KG KN KP KR KZ LA LC LK LR LS LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL SM ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN TD TG
Reference ( R and D project ) CREST Innovative nano-electronics through interdisciplinary collaboration among material, device and system layers AREA
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