量子センシングと電子放出のための単層立方晶窒化ホウ素終端ダイヤモンド(111)表面

Monolayer Cubic Boron Nitride Terminated Diamond (111) Surfaces for Quantum Sensing and Electron Emission Applications.

• Wei Shen
• Shengnan Shen
• Sheng Liu
• Hui Li
• Zhiyin Gan
• Qiaoxuan Zhang

抄録

単層立方晶のホウ素(B)窒化物(N)終端ダイヤモンド(111)表面を提案し、密度汎関数理論を用いて調べた。炭素(C)-N-B終端ダイヤモンド(111)表面には水素が単層に被覆されており、C-N-B-F終端ダイヤモンド(111)表面にはフッ素が単層に被覆されている[C-N-B-F終端ダイヤモンド(111)表面]は、バンド間ギャップ状態がなく、窒素空孔(NV)がほぼ完全に配列している正電子親和性(PEA)を有している。したがって、NVベースの量子センサーに応用できる可能性がある。負の電子親和性(NEA)を有し、-3.51eVの吸着エネルギーを有する、水素の単層被覆を有するC-B-N終端ダイヤモンド(111)表面[C-B-N-H終端ダイヤモンド(111)表面と命名]は、電子放出デバイスに採用される可能性がある。具体的には、C-N-B-B-F-及びC-B-N-H-終端ダイヤモンド(111)表面は、これまでに報告されたダイヤモンド表面の中で最大のPEA(4.48eV)及びNEA(-4.00eV)を有している。また、ダイヤモンド表面上に複数の双極子構造を構築し、非常に大きなEAを得るための手法を提案する。

Monolayer cubic boron (B) nitride (N) terminated diamond (111) surfaces are proposed and investigated using density functional theory. The carbon (C)-N-B-terminated diamond (111) surface with a monolayer coverage of hydrogen and the C-N-B-terminated diamond (111) surface with a monolayer coverage of fluorine [named C-N-B-F-terminated (111) surface] have positive electron affinities (PEAs) with no inter-band gap states and nearly perfect alignment of nitrogen vacancy (NV). Thus, they could potentially be applied in NV-based quantum sensors. The C-B-N-terminated diamond (111) surface with a monolayer coverage of hydrogen [named C-B-N-H-terminated (111) surface], which has negative EAs (NEAs) and an adsorption energy of -3.51 eV, could potentially be employed in electron emission devices. Specifically, C-N-B-F- and C-B-N-H-terminated diamond (111) surfaces have the largest PEA (4.48 eV) and NEA (-4.00 eV), respectively, of any reported diamond surfaces. We also propose a formalism to construct multiple dipole structures on diamond surfaces to yield extremely large EAs.