We show that the orientation of nitrogen-vacancy (NV) defects in diamond can be efficiently controlled through chemical vapor deposition growth on a (111)-oriented diamond substrate. More precisely, we demonstrate that spontaneously generated NV defects are oriented with a 97% probability along the [111] axis, corresponding to the most appealing orientation among the four possible crystallographic axes. Such a nearly perfect preferential orientation is explained by analyzing the diamond growth mechanism on a (111)-oriented substrate and could be extended to other types of defects. This work is a significant step towards the design of optimized diamond samples for quantum information and sensing applications.

1.
W. F.
Koehl
,
B. B.
Buckley
,
F. J.
Heremans
,
G.
Calusine
, and
D. D.
Awschalom
,
Nature
479
,
84
(
2011
).
2.
F.
Dolde
,
I.
Jakobi
,
B.
Naydenov
,
N.
Zhao
,
S.
Pezzagna
,
C.
Trautmann
,
J.
Meijer
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Phys.
9
,
139
(
2013
).
3.
A. M.
Tyryshkin
,
S.
Tojo
,
J. J. L.
Morton
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
T.
Schenkel
,
M. L. W.
Thewalt
,
K. M.
Itoh
 et al,
Nat. Mater.
11
,
143
(
2012
).
4.
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
D.
Budker
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Yacoby
,
R.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nat. Phys.
4
,
810
(
2008
).
5.
G.
Wolfowicz
,
A. M.
Tyryshkin
,
R. E.
George
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
M. L. W.
Thewalt
,
S. A.
Lyon
, and
J. J. L.
Morton
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
561
(
2013
).
6.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
7.
A.
Grüber
,
A.
Drabenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
von Borczyskowski
,
Science
276
,
2012
2014
(
1997
).
8.
G.
Balasubramanian
,
I. Y.
Chan
,
R.
Kolesov
,
M.
Al-Hmoud
,
J.
Tisler
,
C.
Shin
,
C.
Kim
,
A.
Wojcik
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Krueger
 et al,
Nat. Mater.
8
,
383
(
2009
).
9.
Y.
Kubo
,
C.
Grezes
,
A.
Dewes
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
,
H.
Sumiya
,
N.
Morishita
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
 et al,
Phys. Rev. Lett.
107
,
220501
(
2011
).
10.
X.
Zhu
,
S.
Saito
,
A.
Kemp
,
K.
Kakuyanagi
,
S.
Karimoto
,
H.
Nakano
,
W. J.
Munro
,
Y.
Tokura
,
M. S.
Everitt
,
K.
Nemoto
 et al,
Nature
478
,
221
(
2011
).
11.
V. M.
Acosta
,
E.
Bauch
,
M. P.
Ledbetter
,
C.
Santori
,
K. -M. C.
Fu
,
P. E.
Barclay
,
R. G.
Beausoleil
,
H.
Linget
,
J. F.
Roch
,
F.
Treussart
 et al,
Phys. Rev. B
80
,
115202
(
2009
).
12.
D.
Le Sage
,
K.
Arai
,
D. R.
Glenn
,
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
L.
Rahn-Lee
,
M. D.
Lukin
,
A.
Yacoby
,
A.
Komeili
, and
R. L.
Walsworth
,
Nature
496
,
486
(
2013
).
13.
Y.
Dumeige
,
M.
Chipaux
,
V.
Jacques
,
F.
Treussart
,
J.-F.
Roch
,
T.
Debuisschert
,
V. M.
Acosta
,
A.
Jarmola
,
K.
Jensen
,
P.
Kehayias
 et al,
Phys. Rev. B
87
,
155202
(
2013
).
14.
A.
Faraon
,
P. E.
Barclay
,
C.
Santori
,
K. -M. C.
Fu
, and
R. G.
Beausoleil
,
Nat. Photonics
5
,
301
(
2011
).
15.
J.
Riedrich-Möller
,
L.
Kipfstuhl
,
C.
Hepp
,
E.
Neu
,
C.
Pauly
,
F.
Mücklich
,
A.
Baur
,
M.
Wandt
,
S.
Wolff
,
M.
Fischer
 et al,
Nat. Nanotechnol.
7
,
69
(
2011
).
16.
M.
Loncar
and
A.
Faraon
,
MRS Bull.
38
,
144
(
2013
).
17.
A. M.
Edmonds
,
U. F. S.
DHaenens-Johansson
,
R. J.
Cruddace
,
M. E.
Newton
,
K. -M. C.
Fu
,
C.
Santori
,
R. G.
Beausoleil
,
D. J.
Twitchen
, and
M. L.
Markham
,
Phys. Rev. B
86
,
035201
(
2012
).
18.
L. M.
Pham
,
N.
Bar-Gill
,
D.
Le Sage
,
C.
Belthangady
,
A.
Stacey
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
M. D.
Lukin
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. B
86
,
121202
R
(
2012
).
19.
A.
Tallaire
,
A. T.
Collins
,
D.
Charles
,
J.
Achard
,
R.
Sussmann
,
A.
Gicquel
,
M. E.
Newton
,
A. M.
Edmonds
, and
R. J.
Cruddace
,
Diamond Relat. Mater.
15
,
1700
(
2006
).
20.
C. S.
Yan
and
Y. K.
Vohra
,
Diamond Relat. Mater.
8
,
2022
(
1999
).
21.
M.
Kasu
,
T.
Makimoto
,
W.
Ebert
, and
E.
Kohn
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3465
(
2003
).
22.
J. E.
Butler
and
I.
Oleynik
,
Philos. Trans. R. Soc., A
366
,
295
(
2008
).
23.
C.
Wild
,
R.
Kohl
,
N.
Herres
,
W.
Muller-Sebert
, and
P.
Koidl
,
Diamond Relat. Mater.
3
,
373
(
1994
).
24.
A.
Tallaire
,
J.
Achard
,
A.
Boussadi
,
O.
Brinza
,
A.
Gicquel
,
I. N.
Kupriyanov
,
Y. N.
Palyanov
,
G.
Sakr
, and
J.
Barjon
,
Diamond Relat. Mater.
41
,
34
(
2014
).
25.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4869103 for details about CVD diamond growth and the experimental setup.
26.
N. B.
Manson
,
J. P.
Harrison
, and
M. J.
Sellars
,
Phys. Rev. B
74
,
104303
(
2006
).
27.
T. P. M.
Alegre
,
C.
Santori
,
G.
Medeiros-Ribeiro
, and
R. G.
Beausoleil
,
Phys. Rev. B
76
,
165205
(
2007
).
28.
R. J.
Epstein
,
F. M.
Mendoza
,
Y. K.
Kato
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Phys.
1
,
94
98
(
2005
).
29.
C. C.
Battaile
,
D. J.
Srolovitz
, and
J. E.
Butler
,
Diamond Relat. Mater.
6
,
1198
(
1997
).
30.
C. C.
Battaile
,
D. J.
Srolovitz
, and
J. E.
Butler
,
J. Cryst. Growth
194
,
353
(
1998
).
31.
M. K.
Atumi
,
J. P.
Goss
,
P. R.
Briddon
, and
M. J.
Rayson
,
Phys. Rev. B
88
,
245301
(
2013
).
32.
L.
Childress
,
M. V. G.
Dutt
,
J. M.
Taylor
,
A. S.
Zibrov
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
P. R.
Hemmer
, and
M. D.
Lukin
,
Science
314
,
281
285
(
2006
).
33.
G.
de Lange
,
Z. H.
Wang
,
D.
Riste
,
V. V.
Dobrovitski
, and
R.
Hanson
,
Science
330
,
60
(
2010
).
34.
J.
Michl
,
T.
Teraji
,
S.
Zaiser
,
I.
Jakobi
,
G.
Waldherr
,
F.
Dolde
,
P.
Neumann
,
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
102407
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.