NCVSi centers in SiC [nitrogen-vacancy (NV) centers], which produce near-infrared (NIR) photoluminescence (PL) at room temperature, is expected to have applications as quantum sensors for in vivo imaging and sensing. To realize quantum sensing using NV centers, clarification of the formation mechanism as well as control of the high-density formation is necessary. This paper reports a comprehensive investigation on the NIR-PL properties originating from NV centers in high purity semi-insulating and nitrogen (N) contained 4H-SiC substrates formed by ion beam irradiation and subsequent thermal annealing. It is shown that NV centers are exclusively formed by the contained N as impurities rather than the implanted N, and also the heavier ion irradiations induce the NV center formation effectively than the lighter ion irradiations. The study on thermal annealing at different temperatures reveals that the optimal temperature is 1000 °C. From the results of temperature dependence on the PL intensity, it is shown that little thermal quenching of the PL intensity appears at room temperature and the PL signal is collected even at 783 K. The formation mechanism of NV centers is also discussed based on the obtained results.

1.
T. D.
Ladd
,
F.
Jelezko
,
R.
Laflamme
,
Y.
Nakamura
,
C.
Monroe
, and
J. L.
O'Brien
,
Nature
464
(
7285
),
45
53
(
2010
).
2.
J. R.
Weber
,
W. F.
Koehl
,
J. B.
Varley
,
A.
Janotti
,
B. B.
Buckley
,
C. G.
Van de Walle
, and
D. D.
Awschalom
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
(
19
),
8513
8518
(
2010
).
3.
J.
Wrachtrup
and
F.
Jelezko
,
J. Phys. Condens. Mat.
18
(
21
),
S807
S824
(
2006
).
4.
A.
Boretti
,
L.
Rosa
,
A.
Mackie
, and
S.
Castelletto
,
Adv. Opt. Mater.
3
(
8
),
1012
1033
(
2015
).
5.
J.
Jeske
,
J. H.
Cole
, and
A. D.
Greentree
,
New J. Phys.
18
(
1
),
013015
(
2016
).
6.
T.
Wolf
,
P.
Neumann
,
K.
Nakamura
,
H.
Sumiya
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. X
5
(
4
),
041001
(
2015
).
7.
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
,
S.
Chemerisov
,
W.
Gawlik
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. B
80
(
11
),
115202
(
2009
).
8.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
(
7460
),
54
58
(
2013
).
9.
A.
Gruber
,
A.
Dräbenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
Von Borczyskowski
,
Science
276
(
5321
),
2012
2014
(
1997
).
10.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
(
1
),
1
45
(
2013
).
11.
L.
Gordon
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
92
(
4
),
045208
(
2015
).
12.
H.
Kraus
,
V. A.
Soltamov
,
F.
Fuchs
,
D.
Simin
,
A.
Sperlich
,
P. G.
Baranov
,
G. V.
Astakhov
, and
V.
Dyakonov
,
Sci. Rep.
4
,
5303
(
2014
).
13.
S. A.
Tarasenko
,
A. V.
Poshakinskiy
,
D.
Simin
,
V. A.
Soltamov
,
E. N.
Mokhov
,
P. G.
Baranov
,
V.
Dyakonov
, and
G. V.
Astakhov
,
Phys. Status Solidi (b)
255
(
1
),
1870101
(
2018
).
14.
V.
Ivády
,
J.
Davidsson
,
N. T.
Son
,
T.
Ohshima
,
I. A.
Abrikosov
, and
A.
Gali
,
Phys. Rev. B
96
(
16
),
161114(R)
(
2017
).
15.
A.
Lohrmann
,
T. J.
Karle
,
V. K.
Sewani
,
A.
Laucht
,
M.
Bosi
,
M.
Negri
,
S.
Castelletto
,
S.
Prawer
,
J. C.
McCallum
, and
B. C.
Johnson
,
ACS Photonics
4
(
3
),
462
468
(
2017
).
16.
H.
Kraus
,
D.
Simin
,
C.
Kasper
,
Y.
Suda
,
S.
Kawabata
,
W.
Kada
,
T.
Honda
,
Y.
Hijikata
,
T.
Ohshima
,
V.
Dyakonov
, and
G. V.
Astakhov
,
Nano Lett.
17
(
5
),
2865
2870
(
2017
).
17.
F.
Fuchs
,
B.
Stender
,
M.
Trupke
,
D.
Simin
,
J.
Pflaum
,
V.
Dyakonov
, and
G. V.
Astakhov
,
Nat. Commun.
6
,
7578
(
2015
).
18.
M.
Widmann
,
S. Y.
Lee
,
T.
Rendler
,
N. T.
Son
,
H.
Fedder
,
S.
Paik
,
L. P.
Yang
,
N.
Zhao
,
S.
Yang
,
I.
Booker
,
A.
Denisenko
,
M.
Jamali
,
S. A.
Momenzadeh
,
I.
Gerhardt
,
T.
Ohshima
,
A.
Gali
,
E.
Janzen
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
14
(
2
),
164
168
(
2015
).
19.
G.
Wolfowicz
,
C. P.
Anderson
,
A. L.
Yeats
,
S. J.
Whiteley
,
J.
Niklas
,
O. G.
Poluektov
,
F. J.
Heremans
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Commun.
8
(
1
),
1876
(
2017
).
20.
C. F.
de las Casas
,
D. J.
Christle
,
J.
Ul Hassan
,
T.
Ohshima
,
N. T.
Son
, and
D. D.
Awschalom
,
Appl. Phys. Lett.
111
(
26
),
262403
(
2017
).
21.
D. J.
Christle
,
P. V.
Klimov
,
C. F.
de las Casas
,
K.
Szász
,
V.
Ivády
,
V.
Jokubavicius
,
J.
Ul Hassan
,
M.
Syväjärvi
,
W. F.
Koehl
,
T.
Ohshima
,
N. T.
Son
,
E.
Janzén
,
Á
Gali
, and
D. D.
Awschalom
,
Phys. Rev. X
7
(
2
),
021046
(
2017
).
22.
D. J.
Christle
,
A. L.
Falk
,
P.
Andrich
,
P. V.
Klimov
,
J. U.
Hassan
,
N. T.
Son
,
E.
Janzen
,
T.
Ohshima
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Mater.
14
(
2
),
160
163
(
2015
).
23.
A. L.
Falk
,
B. B.
Buckley
,
G.
Calusine
,
W. F.
Koehl
,
V. V.
Dobrovitski
,
A.
Politi
,
C. A.
Zorman
,
P. X.
Feng
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Commun.
4
,
1819
(
2013
).
24.
A. L.
Falk
,
P. V.
Klimov
,
B. B.
Buckley
,
V.
Ivady
,
I. A.
Abrikosov
,
G.
Calusine
,
W. F.
Koehl
,
A.
Gali
, and
D. D.
Awschalom
,
Phys. Rev. Lett.
112
(
18
),
187601
(
2014
).
25.
W. F.
Koehl
,
B. B.
Buckley
,
F. J.
Heremans
,
G.
Calusine
, and
D. D.
Awschalom
,
Nature
479
(
7371
),
84
87
(
2011
).
26.
B.
Magnusson
,
N. T.
Son
,
A.
Csóré
,
A.
Gällström
,
T.
Ohshima
,
A.
Gali
, and
I. G.
Ivanov
,
Phys. Rev. B
98
(
19
),
195202
(
2018
).
27.
A.
Csóré
,
H. J.
von Bardeleben
,
J. L.
Cantin
, and
A.
Gali
,
Phys. Rev. B
96
(
8
),
085204
(
2017
).
28.
H. J.
von Bardeleben
,
J. L.
Cantin
,
A.
Csóré
,
A.
Gali
,
E.
Rauls
, and
U.
Gerstmann
,
Phys. Rev. B
94
(
12
),
121202(R)
(
2016
).
29.
S. A.
Zargaleh
,
B.
Eble
,
S.
Hameau
,
J. L.
Cantin
,
L.
Legrand
,
M.
Bernard
,
F.
Margaillan
,
J. S.
Lauret
,
J. F.
Roch
,
H. J.
von Bardeleben
,
E.
Rauls
,
U.
Gerstmann
, and
F.
Treussart
,
Phys. Rev. B
94
(
6
),
060102(R)
(
2016
).
30.
S. A.
Zargaleh
,
S.
Hameau
,
B.
Eble
,
F.
Margaillan
,
H. J.
von Bardeleben
,
J. L.
Cantin
, and
W.
Gao
,
Phys. Rev. B
98
(
16
),
165203
(
2018
).
31.
H. J.
von Bardeleben
,
J. L.
Cantin
,
E.
Rauls
, and
U.
Gerstmann
,
Phys. Rev. B
92
(
6
),
064104
(
2015
).
32.
R. R.
Anderson
and
J. A.
Parrish
,
J. Invest. Dermatol.
77
(
1
),
13
19
(
1981
).
33.
A. M.
Smith
,
M. C.
Mancini
, and
S.
Nie
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
710
711
(
2009
).
34.
C. J.
Cochrane
,
J.
Blacksberg
,
M. A.
Anders
, and
P. M.
Lenahan
,
Sci. Rep.
6
,
37077
(
2016
).
35.
J. F.
Ziegler
,
M. D.
Ziegler
, and
J. P.
Biersack
,
Nucl. Instrum. Meth. B
268
(
11–12
),
1818
1823
(
2010
).
36.
J. W.
Steeds
,
G. A.
Evans
,
L. R.
Danks
,
S.
Furkert
,
W.
Voegeli
,
M. M.
Ismail
, and
F.
Carosella
,
Diamond Relat. Mater.
11
(
12
),
1923
1945
(
2002
).
37.
A. L.
Barry
,
B.
Lehmann
,
D.
Fritsch
, and
D.
Braunig
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
38
(
6
),
1111
1115
(
1991
).
38.
J.
Lefèvre
,
J.-M.
Costantini
,
S.
Esnouf
, and
G.
Petite
,
J. Appl. Phys.
105
(
2
),
023520
(
2009
).
39.
J. C.
Burton
,
L.
Sun
,
M.
Pophristic
,
S. J.
Lukacs
,
F. H.
Long
,
Z. C.
Feng
, and
I. T.
Ferguson
,
J. Appl. Phys.
84
(
11
),
6268
6273
(
1998
).
40.
M.
Chafai
,
A.
Jaouhari
,
A.
Torres
,
R.
Antón
,
E.
Martı´n
,
J.
Jiménez
, and
W. C.
Mitchel
,
J. Appl. Phys.
90
(
10
),
5211
5215
(
2001
).
41.
S.
Nakashima
,
T.
Kitamura
,
T.
Mitani
,
H.
Okumura
,
M.
Katsuno
, and
N.
Ohtani
,
Phys. Rev. B
76
(
24
),
245208
(
2007
).
42.
J. S.
Embley
,
J. S.
Colton
,
K. G.
Miller
,
M. A.
Morris
,
M.
Meehan
,
S. L.
Crossen
,
B. D.
Weaver
,
E. R.
Glaser
, and
S. G.
Carter
,
Phys. Rev. B
95
(
4
),
045206
(
2017
).
43.
X.
Wang
,
M.
Zhao
,
H.
Bu
,
H.
Zhang
,
X.
He
, and
A.
Wang
,
J. Appl. Phys.
114
(
19
),
194305
(
2013
).
44.
U.
Gerstmann
,
E.
Rauls
,
T.
Frauenheim
, and
H.
Overhof
,
Phys. Rev. B
67
(
20
),
205202
(
2003
).
45.
D. A.
Golter
and
C. W.
Lai
,
Sci. Rep.
7
(
1
),
13406
(
2017
).
46.
K.
Danno
and
T.
Kimoto
,
J. Appl. Phys.
100
(
11
),
113728
(
2006
).
47.
G.
Alfieri
,
E. V.
Monakhov
,
B. G.
Svensson
, and
M. K.
Linnarsson
,
J. Appl. Phys.
98
(
4
),
043518
(
2005
).
48.
M.
Bockstedte
,
A.
Mattausch
, and
O.
Pankratov
,
Phys. Rev. B
69
(
23
),
235202
(
2004
).
49.
T.
Seyller
,
R.
Graupner
,
N.
Sieber
,
K. V.
Emtsev
,
L.
Ley
,
A.
Tadich
,
J. D.
Riley
, and
R. C. G.
Leckey
,
Phys. Rev. B
71
(
24
),
245333
(
2005
).
50.
P. T.
Shaffer
,
Appl. Opt.
10
(
5
),
1034
1036
(
1971
).
51.
W.
Jiang
,
Y.
Zhang
, and
W. J.
Weber
,
Phys. Rev. B
70
(
16
),
165208
(
2004
).
52.
L. B.
Bayu Aji
,
T. T.
Li
,
J. B.
Wallace
, and
S. O.
Kucheyev
,
J. Appl. Phys.
121
(
23
),
235106
(
2017
).
You do not currently have access to this content.