光致发光分解分析：一种表征金刚石中 NV 色心生成的技术

通过电子辐照与退火处理实验室培育金刚石，已使基于带负电氮-空位（NV$^\text{-}$）中心的量子传感器展现出创纪录的灵敏度。本文采用一种新型常温全光学方法，研究了应用于 28 个金刚石样品的辐照与退火过程。由于电中性氮-空位（NV$^\text{0}$）中心的存在会损害传感器性能，我们首先运用这种光致发光分解分析（PDA）方法，从测得的光致发光光谱中确定金刚石样品中 NV$^\text{-}$ 与 NV$^0$ 的浓度比。该分析的关键在于：(i) 分离各 NV 电荷态的发射光谱；(ii) 测量 NV$^\text{-}$ 与 NV$^0$ 的发射比，发现在低强度 532 nm 光照下该比值为 2.5$\pm$0.5。利用 PDA 方法，我们测量了辐照与退火对替代式氮转化为 NV 中心的影响。将这些测量结果与金刚石辐照退火的唯象模型相结合，我们提取出 1 MeV 电子辐照下的单空位产生率估计值为 $0.52\pm 0.26$ cm$^{\text{-1}}$，以及 850~$^\circ$C 下的单空位扩散系数估计值为 1.8 nm$^2$/s。最后我们发现，辐照剂量 $\gtrsim 10^{18}$ e$^\text{-}$/cm$^2$ 会使 NV$^\text{-}$ 的退相干时间 $T_2$ 恶化，而 $T_1$ 在所研究的最高剂量 $5\times 10^{18}$ e$^\text{-}$/cm$^2$ 下仍不受影响。