On the basis of density functional theory, stability and electronic structure of nitrogen-vacancy (NV) centers in surface modified diamond have been studied. Surface decoration is traditionally expected to only have influence on those NV centers close to the surface. However, our calculations indicate that its effect to charged NV centers is nondecaying and long-range, where the formation energy of the charged NV center converges to a value typically different for different types of surface decoration. Such a nondecaying long range effect is due to the electrostatic potential shift induced by the surface dipole layer, and it leads to the preference of NV center for oxygen saturated diamond and NV0 for hydrogenated one. Our work demonstrates that surface functionalization can be used to modify the relative stabilities of differently charged defects in nonmetallic materials.

1.
A.
Gruber
,
A.
Dräbenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C. von
Borczyskowski
,
Science
276
,
2012
(
1997
).
2.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
076401
(
2004
).
3.
C.
Kurtsiefer
,
S.
Mayer
,
P.
Zarda
, and
H.
Weinfurter
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
290
(
2000
).
4.
A.
Beveratos
,
R.
Brouri
,
T.
Gacoin
,
A.
Villing
,
J.-P.
Poizat
, and
P.
Grangier
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
187901
(
2002
).
5.
L.
Childress
,
J. M.
Taylor
,
A. S.
Sørensen
, and
M. D.
Lukin
,
Phys. Rev. A
72
,
052330
(
2005
).
6.
A.
Nizovtsev
,
S.
Kilin
,
F.
Jelezko
,
T.
Gaebal
,
I.
Popa
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Opt. Spectrosc.
99
,
233
(
2005
).
7.
S. C.
Benjamin
,
D. E.
Browne
,
J.
Fitzsimons
, and
J. J. L.
Morton
,
N. J. Phys.
8
,
141
(
2006
).
8.
L.
Childress
,
M. V.
Gurudev Dutt
,
J. M.
Taylor
,
A. S.
Zibrov
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
P. R.
Hemmer
, and
M. D.
Lukin
,
Science
314
,
281
(
2006
).
9.
M. V. G.
Dutt
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
E.
Togan
,
J.
Maze
,
F.
Jelezko
,
A. S.
Zibrov
,
P. R.
Hemmer
, and
M. D.
Lukin
,
Science
316
,
1312
(
2007
).
10.
J. R.
Maze
,
P. L.
Stanwix
,
J. S.
Hodges
,
S.
Hong
,
J. M.
Taylor
,
P.
Capallero
,
L.
Jiang
,
M. V. G.
Dutt
,
E.
Dogan
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacobi
,
R. L.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nature (London)
455
,
644
(
2008
).
11.
G.
Balasubramanian
,
I. Y.
Chan
,
R.
Kolesov
,
M.
Al-Hmoud
,
J.
Tisler
,
C.
Shin
,
C.
Kim
,
A.
Wojcik
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Krueger
,
T.
Hanke
,
A.
Leitenstorfer
,
R.
Bratschitsch
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature (London)
455
,
648
(
2008
).
12.
J. P.
Goss
,
R.
Jones
,
S. J.
Breuer
,
P. R.
Briddon
, and
S.
Öberg
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3041
(
1996
).
13.
F. M.
Hossain
,
M. W.
Doherty
,
H. F.
Wilson
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
226403
(
2008
).
14.
A.
Gali
,
E.
Janzén
,
P.
Déak
,
G.
Kresse
, and
E.
Kaxiras
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
186404
(
2009
).
15.
L.
Rondin
,
G.
Dantelle
,
A.
Slablab
,
F.
Grosshans
,
F.
Treussart
,
P.
Bergonzo
,
S.
Perruchas
,
T.
Gacoin
,
M.
Chaigneau
,
H.-C.
Chang
,
V.
Jacques
, and
J.-F.
Roch
,
Phys. Rev. B
82
,
115449
(
2010
).
16.
N. B.
Manson
and
J. P.
Harrison
,
Diamond Relat. Mater.
14
,
1705
(
2005
).
17.
K. M. C.
Fu
,
C.
Santori
,
P. E.
Barclay
, and
R. G.
Beausoleil
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
121907
(
2010
).
18.
C.
Bradac
,
T.
Gaebel
,
N.
Naidoo
,
J. R.
Rabeau
, and
A. S.
Barnard
,
Nano Lett.
9
,
3555
(
2009
).
19.
M. V.
Hauf
,
B.
Grotz
,
B.
Naydenov
,
M.
Dankerl
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M.
Stutzmann
,
F.
Reinhard
, and
J. A.
Garrido
,
Phys. Rev. B
83
,
081304
R
(
2011
).
20.
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
(
2010
).
21.
V.
Petráková
,
A.
Taylor
,
I.
Kratochvílová
,
F.
Fendrych
,
J.
Vacík
,
J.
Kučka
,
J.
Štursa
,
P.
Cígler
,
M.
Ledvina
,
A.
Fišerová
,
P.
Kneppo
, and
M.
Nesládek
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
812
(
2012
).
22.
B.
Grotz
,
M. V.
Hauf
,
M.
Dankerl
,
B.
Naydenov
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M.
Stutzmann
,
F.
Reinhard
, and
J. A.
Garrido
,
Nat. Commun.
3
,
729
(
2012
).
23.
J. B.
Cui
,
J.
Ristein
, and
L.
Ley
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
429
(
1998
).
24.
J. C.
Angus
and
C. C.
Hayman
,
Science
241
,
913
(
1988
).
25.
C. J.
Chu
,
M. P.
D’Evelyn
,
R. H.
Hauge
, and
J. L.
Margrave
,
J. Appl. Phys.
70
,
1695
(
1991
).
26.
K. C.
Pandey
,
Phys. Rev. B
25
,
R4338
(
1982
).
27.
S.
Iarlori
,
G.
Galli
,
F.
Gygi
,
M.
Parrinello
, and
E.
Tosatti
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
2947
(
1992
).
28.
P.
Ordejón
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Rev. B
53
,
R10441
(
1996
).
29.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
30.
A.
Gali
,
M.
Fyta
, and
A.
Kaxiras
,
Phys. Rev. B
77
,
155206
(
2008
).
31.
32.
A.
Gali
,
T.
Simon
, and
J. E.
Lowther
,
N. J. Phys.
13
,
025016
(
2011
).
33.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
34.
J.
Junquera
,
Ó.
Paz
,
D.
Sánchez-Portal
, and
E.
Artacho
,
Phys. Rev. B
64
,
235111
(
2001
).
35.
W. H.
Press
,
B. P.
Flannery
,
S. A.
Teukolsky
, and
W. T.
Vetterling
,
New Numerical Recipes
(
Cambridge University Press
,
New York
,
1986
).
36.
C. G.
Van de Walle
and
J.
Neugebauer
,
J. Appl. Phys.
95
,
3851
(
2004
).
37.
C. W. M.
Castleton
,
A.
Höglund
, and
S.
Mirbt
,
Phys. Rev. B
73
,
035215
(
2006
).
38.
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
,
8513
(
2010
).
39.
E. M.
Benecha
and
E. B.
Lombardi
,
Phys. Rev. B
84
,
235201
(
2011
).
40.
S. J.
Sque
,
R.
Jones
, and
P. R.
Briddon
,
Phys. Rev. B
73
,
085313
(
2006
).
41.
V.
Petráková
,
M.
Nesládek
,
A.
Taylor
,
F.
Fendrych
,
P.
Cígler
,
M.
Ledvina
,
J.
Vacík
,
J.
Štursa
, and
J.
Kučka
,
Phys. Status Solidi A
208
,
2051
(
2011
).
42.
C.
Santori
,
P. E.
Barclay
,
K.-M. C.
Fu
, and
R. G.
Beausoleil
,
Phys. Rev. B
79
,
125313
(
2009
).
43.
R. D.
Nelson
,
D. R.
Lide
, and
A. A.
Maryott
,
Selected Values of Electric Dipole Moments for Molecules in the Gas Phase
,
NSRDS-NBS
Vol.
10
(
U.S. Department of Commerce
,
Washington
,
1967
).
44.
K.
Dutta
,
S. K.
Sit
, and
S.
Acharyya
,
Pramana J. Phys.
61
,
759
(
2003
).
45.
J. H.
Schulman
and
W. D.
Compton
,
Color Centers in Solids
(
Pergamon
,
New York
,
1962
).
46.
E.
Neu
,
D.
Steinmetz
,
J.
Riedrich-Möller
,
S.
Gsell
,
M.
Fischer
,
M.
Schreck
, and
C.
Becher
,
N. J. Phys.
13
,
025012
(
2011
).
47.
A.
Huck
,
S.
Kumar
,
A.
Shakoor
, and
U. L.
Andersen
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
096801
(
2011
).
You do not currently have access to this content.