The creation of single, negatively charged silicon vacancy (SiV) centers in well-defined diamond layers close to the host surface is a crucial step for the development of diamond-based quantum optic devices with many applications in nanophotonics, quantum sensing, or quantum information science. Here, we report on the creation of shallow (10 nm below the surface), single SiV centers in diamond using low energy Si+ ion implantation with subsequent high temperature annealing at 1500 °C. We show transition linewidths down to 99 MHz and narrow inhomogeneous distributions. Furthermore, we achieved a reduction of homogeneous linewidths by a factor of 2 after removing subsurface damage using oxygen plasma processing. These results not only give insights into the formation process of SiV centers but also indicate a favorable processing method to fabricate shallow single quantum emitters in diamond perfectly suited for coupling to nanostructures on the diamond surface.

1.
M. H.
Metsch
,
K.
Senkalla
,
B.
Tratzmiller
,
J.
Scheuer
,
M.
Kern
,
J.
Achard
,
A.
Tallaire
,
M. B.
Plenio
,
P.
Siyushev
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
190503
(
2019
).
2.
A.
Sipahigil
,
K. D.
Jahnke
,
L. J.
Rogers
,
T.
Teraji
,
J.
Isoya
,
A. S.
Zibrov
,
F.
Jelezko
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
113602
(
2014
).
3.
L. J.
Rogers
,
K. D.
Jahnke
,
M. H.
Metsch
,
A.
Sipahigil
,
J. M.
Binder
,
T.
Teraji
,
H.
Sumiya
,
J.
Isoya
,
M. D.
Lukin
,
P.
Hemmer
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
263602
(
2014
).
4.
A.
Dietrich
,
K. D.
Jahnke
,
J. M.
Binder
,
T.
Teraji
,
J.
Isoya
,
L. J.
Rogers
, and
F.
Jelezko
,
New J. Phys.
16
,
113019
(
2014
).
5.
A.
Sipahigil
,
R. E.
Evans
,
D. D.
Sukachev
,
M. J.
Burek
,
J.
Borregaard
,
M. K.
Bhaskar
,
C. T.
Nguyen
,
J. L.
Pacheco
,
H. A.
Atikian
,
C.
Meuwly
,
R. M.
Camacho
,
F.
Jelezko
,
E.
Bielejec
,
H.
Park
,
M.
Lončar
, and
M. D.
Lukin
,
Science
354
,
847
(
2016
).
6.
A.
Huck
and
U. L.
Andersen
,
Nanophotonics
5
,
483
(
2016
).
7.
A.
Szenes
,
B.
Bánhelyi
,
L. Z.
Szabó
,
G.
Szabó
,
T.
Csendes
, and
M.
Csete
,
Sci. Rep.
7
,
13845
(
2017
).
8.
R. E.
Evans
,
A.
Sipahigil
,
D. D.
Sukachev
,
A. S.
Zibrov
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
044010
(
2016
).
9.
M. K.
Bhaskar
,
R.
Riedinger
,
B.
Machielse
,
D. S.
Levonian
,
C. T.
Nguyen
,
E. N.
Knall
,
H.
Park
,
D.
Englund
,
M.
Lončar
,
D. D.
Sukachev
, and
M. D.
Lukin
, arXiv:1909.01323v1 (
2019
).
10.
S.
Häußler
,
J.
Benedikter
,
K.
Bray
,
B.
Regan
,
A.
Dietrich
,
J.
Twamley
,
I.
Aharonovich
,
D.
Hunger
, and
A.
Kubanek
,
Phys. Rev. B
99
,
165310
(
2019
).
11.
L.
Marseglia
,
K.
Saha
,
A.
Ajoy
,
T.
Schröder
,
D.
Englund
,
F.
Jelezko
,
R.
Walsworth
,
J. L.
Pacheco
,
D. L.
Perry
,
E. S.
Bielejec
, and
P.
Cappellaro
,
Opt. Express
26
,
80
(
2018
).
12.
L. J.
Rogers
,
K. D.
Jahnke
,
T.
Teraji
,
L.
Marseglia
,
C.
Müller
,
B.
Naydenov
,
H.
Schauffert
,
C.
Kranz
,
J.
Isoya
,
L. P.
McGuinness
, and
F.
Jelezko
,
Nat. Commun.
5
,
4739
(
2014
).
13.
14.
T.
Schröder
,
M. E.
Trusheim
,
M.
Walsh
,
L.
Li
,
J.
Zheng
,
M.
Schukraft
,
A.
Sipahigil
,
R. E.
Evans
,
D. D.
Sukachev
,
C. T.
Nguyen
,
J. L.
Pacheco
,
R. M.
Camacho
,
E. S.
Bielejec
,
M. D.
Lukin
, and
D.
Englund
,
Nat. Commun.
8
,
15376
(
2017
).
15.
U. F. S.
D'Haenens-Johansson
,
A. M.
Edmonds
,
B. L.
Green
,
M. E.
Newton
,
G.
Davies
,
P. M.
Martineau
,
R. U. A.
Khan
, and
D. J.
Twitchen
,
Phys. Rev. B
84
,
245208
(
2011
).
16.
L.
Allers
,
A. T.
Collins
, and
J.
Hiscock
,
Diamond Relat. Mater.
7
,
228
(
1998
).
17.
K.
Iakoubovskii
and
G. J.
Adriaenssens
,
J. Phys.: Condens. Matter
13
,
6015
(
2001
).
18.
B.
Naydenov
,
F.
Reinhard
,
A.
Lämmle
,
V.
Richter
,
R.
Kalish
,
U. F. S.
D'Haenens-Johansson
,
M.
Newton
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
242511
(
2010
).
19.
T.
Yamamoto
,
T.
Umeda
,
K.
Watanabe
,
S.
Onoda
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
B.
Naydenov
,
L. P.
McGuinness
,
T.
Teraji
,
S.
Koizumi
,
F.
Dolde
,
H.
Fedder
,
J.
Honert
,
J.
Wrachtrup
,
T.
Ohshima
,
F.
Jelezko
, and
J.
Isoya
,
Phys. Rev. B
88
,
075206
(
2013
).
20.
C.
Osterkamp
,
M.
Mangold
,
J.
Lang
,
P.
Balasubramanian
,
T.
Teraji
,
B.
Naydenov
, and
F.
Jelezko
,
Sci. Rep.
9
,
5786
(
2019
).
21.
M.
Posselt
,
Radiat. Eff. Defects Solids
130
,
87
(
1994
).
22.
O.
Lehtinen
,
B.
Naydenov
,
P.
Börner
,
K.
Melentjevic
,
C.
Müller
,
L. P.
McGuinness
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
U.
Kaiser
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. B
93
,
035202
(
2016
).
23.
A.
Collins
,
New Diamond and Frontier Carbon Technology
(
MYU Scientific Publishing
,
2007
), Vol.
17
.
24.
F.
Fávaro de Oliveira
,
S. A.
Momenzadeh
,
Y.
Wang
,
M.
Konuma
,
M.
Markham
,
A. M.
Edmonds
,
A.
Denisenko
, and
J.
Wrachtrup
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
073107
(
2015
).
25.
L. J.
Rogers
,
K. D.
Jahnke
,
M. W.
Doherty
,
A.
Dietrich
,
L. P.
McGuinness
,
C.
Müller
,
T.
Teraji
,
H.
Sumiya
,
J.
Isoya
,
N. B.
Manson
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. B
89
,
235101
(
2014
).
26.
J. M.
Binder
,
A.
Stark
,
N.
Tomek
,
J.
Scheuer
,
F.
Frank
,
K. D.
Jahnke
,
C.
Müller
,
S.
Schmitt
,
M. H.
Metsch
,
T.
Unden
,
T.
Gehring
,
A.
Huck
,
U. L.
Andersen
,
L. J.
Rogers
, and
F.
Jelezko
,
SoftwareX
6
,
85
(
2017
).
27.
B.
Naydenov
,
V.
Richter
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
P.
Neumann
,
G.
Balasubramanian
,
J.
Achard
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
R.
Kalish
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
163108
(
2010
).
28.
C.
Uzan-Saguy
,
C.
Cytermann
,
R.
Brener
,
V.
Richter
,
M.
Shaanan
, and
R.
Kalish
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
1194
1196
(
1995
).
29.
L. J.
Rogers
,
O.
Wang
,
Y.
Liu
,
L.
Antoniuk
,
C.
Osterkamp
,
V. A.
Davydov
,
V. N.
Agafonov
,
A. B.
Filipovski
,
F.
Jelezko
, and
A.
Kubanek
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
024073
(
2019
).
30.
L.
Nicolas
,
T.
Delord
,
P.
Huillery
,
C.
Pellet-Mary
, and
G.
Hétet
,
ACS Photonics
6
,
2413
(
2019
).
31.
Y.
Chu
,
N. P.
de Leon
,
B. J.
Shields
,
B.
Hausmann
,
R.
Evans
,
E.
Togan
,
M. J.
Burek
,
M.
Markham
,
A.
Stacey
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacoby
,
D. J.
Twitchen
,
M.
Loncar
,
H.
Park
,
P.
Maletinsky
, and
M. D.
Lukin
,
Nano Lett.
14
,
1982
(
2014
).
32.
A. T.
Collins
,
H.
Kanda
, and
H.
Kitawaki
,
Diamond Relat. Mater.
9
,
113
(
2000
).
33.
R. U. A.
Khan
,
B. L.
Cann
,
P. M.
Martineau
,
J.
Samartseva
,
J. J. P.
Freeth
,
S. J.
Sibley
,
C. B.
Hartland
,
M. E.
Newton
,
H. K.
Dhillon
, and
D. J.
Twitchen
,
J. Phys.: Condens. Matter
25
,
275801
(
2013
).
34.
S.
Sangtawesin
,
B. L.
Dwyer
,
S.
Srinivasan
,
J. J.
Allred
,
L. V. H.
Rodgers
,
K.
de Greve
,
A.
Stacey
,
N.
Dontschuk
,
K. M.
O'Donnell
,
D.
Hu
,
D. A.
Evans
,
C.
Jaye
,
D. A.
Fischer
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
H.
Park
,
M. D.
Lukin
, and
N. P.
de Leon
,
Phys. Rev. X
9
,
031052
(
2019
).
35.
C.
Osterkamp
,
J.
Lang
,
J.
Scharpf
,
C.
Müller
,
L. P.
McGuinness
,
T.
Diemant
,
R. J.
Behm
,
B.
Naydenov
, and
F.
Jelezko
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
113109
(
2015
).
36.
C.
Hepp
,
T.
Müller
,
V.
Waselowski
,
J. N.
Becker
,
B.
Pingault
,
H.
Sternschulte
,
D.
Steinmüller-Nethl
,
A.
Gali
,
J. R.
Maze
,
M.
Atatüre
, and
C.
Becher
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
036405
(
2014
).
37.
T.
Lühmann
,
R.
John
,
R.
Wunderlich
,
J.
Meijer
, and
S.
Pezzagna
,
Nat. Commun.
10
,
4956
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.