Silicon-vacancy (SiV) centers were produced in single crystalline diamond (SCD) and ultrananocrystalline diamond (UNCD) nanostructures via Si ion implantation or in situ Si doping. SiV-embedded UNCD (SiV-UNCD) was fabricated by both top-down and bottom-up methods. The spectral properties of the SiV centers, including the zero phonon line (ZPL) width and decay time, were investigated in the SCD and UNCD nanostructures. All the SiV-UNCD nanostructures showed bright emission regardless of the preparation method. However, the decay time of the SiV centers was affected by the synthesis procedure. A SiV decay time of τ ∼ 0.19 ns was observed for UNCD nanostructures formed by in situ doping, whereas the SiV decay time was ∼0.43 ns for SiV-UNCD clusters prepared by Si ion implantation into UNCD deposited on Ti/sapphire substrates. The ultrasonication of UNCD clusters on Ti/sapphire pyramids produced bright SiV-UNCD nanoclusters with sizes of ∼50 nm, a ZPL width of 13.5 nm, and a decay time of 0.35 ns, suggesting promising potential in bioimaging applications. SiV-containing SCD (type Ia or type IIa) showed enhanced SiV spectral properties with a ZPL width of 6.08 nm and longer decay time of 1.3 ns.

1.
C.
Kurtsiefer
,
S.
Mayer
,
P.
Zarda
, and
H.
Weinfurter
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
290
293
(
2000
).
2.
T. M.
Babinec
,
B. J. M.
Hausmann
,
M.
Khan
,
Y.
Zhang
,
J. R.
Maze
,
P. R.
Hemmer
, and
M.
Lončar
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
195
199
(
2010
).
3.
C.
Wang
,
C.
Kurtsiefer
,
H.
Weinfurter
, and
B.
Burchard
,
J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys.
39
,
37
(
2006
).
4.
C.
Wang
, “
A solid-state single photon source based on color centers in diamond
,”
Ph.D. thesis
(
Technische Universität München
,
2007
).
5.
E.
Neu
, “
Silicon vacancy color centers in chemical vapor deposition diamond New insights into promising solid state single photon sources
,”
Ph.D. thesis
(
der Universitat des Saarlandes
,
2012
).
6.
N.
Gisin
,
G.
Ribordy
,
W.
Tittel
, and
H.
Zbinden
,
Rev. Mod. Phys.
74
,
145
195
(
2002
).
7.
S.
Pezzagna
,
D.
Wildanger
,
P.
Mazarov
,
A. D.
Wieck
,
Y.
Sarov
,
I.
Rangelow
,
B.
Naydenov
,
F.
Jelezko
,
S. W.
Hell
, and
J.
Meijer
,
Small
6
,
2117
2121
(
2010
).
8.
D. M.
Toyli
,
C. D.
Weis
,
G. D.
Fuchs
,
T.
Schenkel
, and
D.
Awschalom
,
Nano Lett.
10
,
3168
3172
(
2010
).
9.
A.
Gruber
,
A.
Drabenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
von Borczyskowski
,
Science
276
,
2012
2014
(
1997
).
10.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
M.
Domhan
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
130501
(
2004
).
11.
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
816
(
2008
).
12.
C.
Bradac
,
T.
Gaebel
,
N.
Naidoo
,
M. J.
Sellars
,
J.
Twamley
,
L. J.
Brown
,
A. S.
Barnard
,
T.
Plakhotnik
,
A. V.
Zvyagin
, and
J. R.
Rabeau
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
345
349
(
2010
).
13.
A.
Faraon
,
C.
Santori
,
Z.
Huang
,
V. M.
Acosta
, and
R. G.
Beausoleil
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
033604
(
2012
).
14.
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
, and
A.
Yacoby
,
Nano Lett.
14
,
1982
1986
(
2014
).
15.
E.
Neu
,
D.
Steinmetz
,
J. R.
Möeller
,
S.
Gsell
,
M.
Fischer
,
M.
Schreck
, and
C.
Becher
,
New J. Phys.
13
,
025012
(
2011
).
16.
S.
Pezzagna
,
D.
Rogalla
,
D.
Wildanger
,
J.
Meijer
, and
A.
Zaitsev
,
New J. Phys.
13
,
035024
(
2011
).
17.
I.
Aharonovich
,
S.
Castelletto
,
D. A.
Simpson
,
C. H.
Su
,
A. D.
Greentree
, and
S.
Prawer
,
Rep. Prog. Phys.
74
,
076501
(
2011
).
18.
I.
Aharonovich
and
E.
Neu
,
Adv. Opt. Mater.
2
,
911
928
(
2014
).
19.
R.
Schirhagl
,
K.
Chang
,
M.
Loretz
, and
C. L.
Degen
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
83
105
(
2014
).
20.
Y. R.
Chang
,
H. Y.
Lee
,
K.
Chen
,
C. C.
Chang
,
D. S.
Tsai
,
C. C.
Fu
,
T. S.
Lim
,
Y. K.
Tzeng
,
C. Y.
Fang
,
C. C.
Han
,
H. C.
Chang
, and
W.
Fann
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
284
288
(
2008
).
21.
A. S.
Barnard
,
I. I.
Vlasov
, and
V. G.
Ralchenko
,
J. Mater. Chem.
19
,
360
365
(
2009
).
22.
I. I.
Vlasov
,
A. A.
Shiryaev
,
T.
Rendler
,
S.
Steinert
,
S.-Y.
Lee
,
D.
Antonov
,
M.
Vörös
,
F.
Jelezko
,
A. V.
Fisenko
,
L. F.
Semjonova
,
J.
Biskupek
,
U.
Kaiser
,
O. I.
Lebedev
,
I.
Sildos
,
R. Ph.
Hemmer
,
V.
Konov
,
I. A.
Gali
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
54
58
(
2014
).
23.
A. S.
Barnard
,
Analyst
134
,
1751
1764
(
2009
).
24.
T. D.
Merson
,
S.
Castelletto
,
I.
Aharonovich
,
A.
Turbic
,
T. J.
Kilpatrick
, and
A. M.
Turnley
,
Opt. Lett.
38
,
4170
4173
(
2013
).
25.
A. M.
Schrand
,
H.
Huang
,
C.
Carlson
,
J. J.
Schlager
,
E.
Ōsawa
,
S. M.
Hussain
, and
L.
Dai
,
J. Phys. Chem. B
111
,
2
7
(
2007
).
26.
E.
Neu
,
M.
Fischer
,
S.
Gsell
,
M.
Schreck
, and
C.
Becher
,
Phys. Rev. B
84
,
205211
(
2011
).
27.
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
).
28.
L.
Rogers
,
K.
Jahnke
,
M.
Doherty
,
A.
Dietrich
,
L.
McGuinness
,
C.
Müller
,
T.
Teraji
,
H.
Sumiya
,
J.
Isoya
,
N.
Manson
, and
F.
Jelezko
,
Phys. Rev. B
89
,
235101
(
2014
).
29.
R. E.
Evans
,
A.
Sipahigil
,
D. D.
Sukachev
,
A. S.
Zibrov
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
044010
(
2016
).
30.
B.
Pingault
,
J. N.
Becker
,
C. H.
Schulte
,
C.
Arend
,
C.
Hepp
,
T.
Godde
,
A. I.
Tartakovskii
,
M.
Markham
,
C.
Becher
, and
M.
Atatüre
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
263601
(
2014
).
31.
S.
Tamura
,
G.
Koike
,
A.
Komatsubara
,
T.
Teraji
,
S.
Onoda
,
L. P.
McGuinness
,
L.
Rogers
,
B.
Naydenov
,
E.
Wu
,
L.
Yan
, and
F.
Jelezko
,
Appl. Phys. Express.
7
,
115201
(
2014
).
32.
S.
Lagomarsino
,
A. M.
Flatae
,
S.
Sciortino
,
F.
Gorelli
,
M.
Santoro
,
F.
Tantussi
,
F. D.
Angelis
,
N.
Gelli
,
F.
Taccetti
,
L.
Giuntini
, and
M.
Agio
,
Diam. Relat. Mater.
84
,
196
203
(
2018
).
33.
I. I.
Vlasov
,
A. S.
Barnard
,
V. G.
Ralchenko
,
O. I.
Lebedev
,
M. V.
Kanzyuba
,
A. V.
Saveliev
,
V. I.
Konov
, and
E.
Goovaerts
,
Adv. Mater.
21
,
808
(
2009
).
34.
C. D.
Clark
,
H.
Kanda
,
I.
Kiflawi
, and
G.
Sittas
,
Phys. Rev. B
51
,
16681
(
1995
).
35.
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
).
36.
V. S.
Sedov
,
I. I.
Vlasov
,
V. G.
Ralchenko
,
A. A.
Khomich
,
V. I.
Konov
,
A. G.
Fabbri
, and
G.
Conte
,
B. Lebedev. Phys. Inst.
38
,
291
296
(
2011
).
37.
J.
Barjon
,
E.
Rzepka
,
F.
Jomard
,
J.
Laroche
,
D.
Ballutaud
,
T.
Kociniewski
, and
J.
Chevallier
,
Phys. Status Solidi A
202
,
2177
2181
(
2005
).
38.
S. A.
Grudinkin
,
N. A.
Feoktistov
,
M. A.
Baranov
,
A. N.
Smirnov
,
V. Y.
Davydov
, and
V. G.
Golubev
,
Nanotechnology
27
,
395606
(
2016
).
39.
E.
Petkov
,
T.
Rendler
,
C.
Petkov
,
F.
Schnabel
,
J. P.
Reithmaier
,
J.
Wrachtrup
,
C.
Popov
, and
W.
Kulisch
,
Phys. Status Solidi A
210
,
2066
2073
(
2013
).
40.
F.
Treussart
and
I. I.
Vlasov
, “
Photoluminescence of color centers in nanodiamonds
,” in
Nanodiamonds
, edited by
J. C.
Arnault
(
Elsevier
,
2017
), pp.
155
181
.
41.
N.
Felgen
,
B.
Naydenov
,
F.
Jelezko
,
J. P.
Reithmaier
, and
C.
Popov
,
Phys. Status Solidi A
215
,
1800371
(
2018
).
42.
K.
Li
,
Y.
Zhou
,
A.
Rasmita
,
I.
Aharonovich
, and
W. B.
Gao
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
024010
(
2016
).
43.
C.
Arend
,
P.
Appel
,
J. N.
Becker
,
M.
Schmidt
,
M.
Fischer
,
S.
Gsell
,
M.
Schreck
,
C.
Becher
,
P.
Maletinsky
, and
E.
Neu
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
063111
(
2016
).
44.
J. L.
Zhang
,
H.
Ishiwata
,
T. M.
Babinec
,
M.
Radulaski
,
K.
Müller
,
K. G.
Lagoudakis
,
C.
Dory
,
J.
Dahl
,
R.
Edgington
,
V.
Soulière
,
G.
Ferro
,
A. A.
Fokin
,
P. R.
Schreiner
,
Z.-X.
Shen
,
N. A.
Melosh
, and
J.
Vučković
,
Nano Lett.
16
,
212
217
(
2016
).
45.
D.
Pradhan
and
I. N.
Lin
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
6907
6913
(
2009
).
46.
S.
Prawer
and
R. J.
Nemanich
,
Phil. Trans. R. Soc. Lond. A
362
,
2537
2565
(
2004
).
47.
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
).
48.
J. R.
Rabeau
,
A.
Stacey
,
A.
Rabeau
,
S.
Prawer
,
F.
Jelezko
,
I.
Mirza
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
7
,
3433
3437
(
2007
).
49.
K.
Srinivasu
,
Y. C.
Chen
,
C. J.
Yeh
,
W. H.
Chang
,
D.
Manoharan
,
K. C.
Leou
, and
I. N.
Lin
,
Mater. Res. Express
3
,
106205
(
2016
).
50.
R. G.
Buckley
,
T. D.
Moustakas
,
L.
Ye
, and
J.
Varon
,
J. Appl. Phys.
66
,
3595
3599
(
1989
).
51.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
63
,
121405
(
2001
).
52.
A.
Zaitsev
,
Optical Properties of Diamond: A Data Handbook
(
Springer
,
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.