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金刚石中氢空位复合体的量子行为

DOI：10.1103/PhysRevB.98.235111 期刊：Physical Review B 出版年份：2018 更新时间：2025-09-09 09:28:46
摘要： 氢在人造金刚石生长过程中起着关键作用，且易与晶格空位形成复合物。尽管学界已对氢-空位（HV）中心的电子结构和基态特性开展了大量研究，但现有结论仍不明确，而含两个及以上氢原子的空位复合物尚未被探索。本文采用自旋极化杂化密度泛函理论方法，研究了金刚石中各类氢-空位团簇的电子结构与磁光特性。理论结果表明：形成多达四个氢原子的HnV复合物具有极强倾向性，这些复合物多为电学和光学活性中心。其中一种缺陷引入了高度关联的电子态，这对密度泛函理论构成挑战，因此在测定电荷与自旋密度相关特性时需特殊处理。我们通过全从头算参数化的扩展哈伯德模型哈密顿量，分析了高度关联的H2V0缺陷复杂电子结构。文中还探讨了氢在HV中心的量子隧穿效应及其对超精细结构的影响。研究表明实验观测到的HV1?中心与著名的NV1?中心相似：其一，在C3v对称性下具有三重态3A基态和3E激发态；其二，计算所得零声子线能量为1.71电子伏特（NV1?为1.945电子伏特）。建议基于光学检测电子顺磁共振光谱开展详细实验复测，以验证HV1?中心是否在基态与激发态三重态之间存在亚稳单重态搁置态，进而判断其是否可能呈现向基态的自旋选择性衰减。
作者： Kamil Czelej，Marcin Roland Zem?a，Piotr ′Spiewak，Krzysztof J. Kurzyd?owski
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

采用自旋极化杂化密度泛函理论方法研究金刚石中不同氢空位团簇的电子结构与磁光性质。

研究成果

研究表明，在金刚石中形成HnV团簇具有显著的热力学倾向，甚至能完全钝化与空位相关的悬挂键。HV1?中心被确认为量子信息处理的潜在候选对象，其特性类似于NV1?中心。研究发现氢在HV中心的量子隧穿效应极快，这影响了电子顺磁共振测量中观察到的超精细结构。

研究不足

该研究的局限性在于，计算非局域杂化泛函以分析低对称性缺陷的振动模式和频率时，可用的计算能力有限。此外，某些缺陷的高度关联特性也给标准DFT计算带来了挑战。

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