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センサ素子、測定装置、センサ素子の製造方法、電子回路素子、および量子情報素子 NEW 外国出願あり

国内特許コード P200016854
整理番号 6090
掲載日 2020年5月11日
出願番号 特願2018-037624
公開番号 特開2019-152524
出願日 平成30年3月2日(2018.3.2)
公開日 令和元年9月12日(2019.9.12)
発明者
  • 水落 憲和
  • 加藤 宙光
  • 牧野 俊晴
  • 山崎 聡
出願人
  • 国立大学法人京都大学
  • 国立研究開発法人産業技術総合研究所
発明の名称 センサ素子、測定装置、センサ素子の製造方法、電子回路素子、および量子情報素子 NEW 外国出願あり
発明の概要 【課題】ダイヤモンド結晶構造中の炭素-空孔中心が負電荷の状態に安定するダイヤモンドを有するセンサ素子を提供する。
【解決手段】センサ素子が有するダイヤモンドを、n型にリンドープされており、かつ窒素-空孔中心を結晶構造中に含んでいるダイヤモンドとすることにより、ダイヤモンド格子中の炭素-空孔中心が中性状態になる確率が減少し、窒素-空孔中心が負電荷の状態に安定する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

ダイヤモンドの結晶構造において、窒素-空孔中心と呼ばれる複合欠陥が見られることがある。この窒素-空孔中心は、結晶格子の炭素原子の位置に置き換わる形で入った窒素原子と、その窒素原子の隣接位置に存在する(炭素原子が抜けている)空孔との対からなるもので、NV中心(Nitrogen Vacancy center)とも呼ばれる。

このNV中心は、空孔に電子が捕獲された状態(負電荷状態、以下「NV」と呼ぶ)においては、電子が捕獲されていない状態(中性状態、以下「NV」と呼ぶ)に比べて、外部磁場の縦方向に揃えた電子スピンの磁化を横方向に傾けた後、個々のスピンの歳差運動が原因となり個々の向きがずれていって全体としての横磁化が消失するまでの時間が長い。つまりNVは長い横緩和時間(デコヒーレンス時間、以下「T」と呼ぶ)を示す。また、室温(約300K)下であっても長いT値を示す。

NVの電子スピン状態は外部の磁場に反応して変化し、この電子スピン状態の測定も室温下で可能であるため、NV中心を含むダイヤモンドは磁場センサ素子の材料として利用できる。

さらにNVの電子スピン状態はマイクロ波照射などの方法により、外部から人為的に操作する(特定の電子スピン状態に置く)こともできる。この操作も室温下で可能であるため、Tが長いことと合わせて、NV中心は量子状態の書き込み・読み出しが安定して行える量子ビットとして利用可能なことが期待され、NV中心を含むダイヤモンドは量子情報素子や電子回路素子の材料として利用できる。

産業上の利用分野

本発明は、センサ素子に関するものであり、特にダイヤモンドを有するセンサ素子に関するものである。また本発明はこのセンサ素子を有する測定装置、センサ素子の製造方法にも関するほか、ダイヤモンドを有する電子回路素子、ダイヤモンドを有する量子情報素子にも関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
n型にリンドープされており、かつ1つ以上の窒素-空孔中心を結晶構造中に含んでいるダイヤモンドを有する、センサ素子。

【請求項2】
前記ダイヤモンドの結晶を構成する炭素原子のうち12Cの割合が99%超であり、
前記ダイヤモンドに含まれるリン濃度が1×1015cm-3以上・1×1018cm-3以下である、請求項1に記載のセンサ素子。

【請求項3】
前記ダイヤモンドに含まれる前記窒素-空孔中心のデコヒーレンス時間Tが2.1ms超であり、対応のTが0.5ms超であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のセンサ素子。

【請求項4】
前記ダイヤモンドに含まれる前記窒素-空孔中心が、単一で交番磁場に対し3.1nTHz-1/2未満の値の感度を有し、単一で定磁場に対し20nTHz-1/2未満の値の感度を有する、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のセンサ素子。

【請求項5】
動作環境温度が10-3K以上・10K以下である、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のセンサ素子。

【請求項6】
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の素子を有し、
磁場、
電場、
温度、
力学量、
のうち少なくとも1つを測定する測定装置。

【請求項7】
医療機器に組み込まれた測定装置、
車載装置に組み込まれた測定装置、
ライフサイエンス用装置に組み込まれた測定装置、
のうち少なくとも1つであることを特徴とする、請求項6に記載の測定装置。

【請求項8】
炭素化合物、
リン化合物、
窒素原子、
を含む雰囲気下において、n型にリンドープされており、かつ1つ以上の窒素-空孔中心を結晶構造中に含んでいるダイヤモンドを製造する工程を含む、センサ素子の製造方法。

【請求項9】
前記ダイヤモンドを製造する工程において、化学気相成長法によって基板上にダイヤモンド膜を成長させる、請求項8に記載のセンサ素子の製造方法。

【請求項10】
n型にリンドープされており、かつ1つ以上の窒素-空孔中心を結晶構造中に含んでいるダイヤモンドを有する、電子回路素子。

【請求項11】
n型にリンドープされており、かつ1つ以上の窒素-空孔中心を結晶構造中に含んでいるダイヤモンドを有する、量子情報素子。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018037624thum.jpg
出願権利状態 公開
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