氮-空位（NV）中心是金刚石中最具代表性的量子缺陷，由单个氮原子与其相邻空位构成。其电子自旋在室温环境下仍能保持极高稳定性，且可通过光学手段实现初始化、操控与读出，因此在量子精密传感、量子信息处理及量子计算等领域具有广泛的应用前景。然而，NV中心的实际产业化应用，高度依赖其空间位置与晶体取向的精准可控性，这一需求在多量子比特构建及高灵敏度传感器件研发中尤为关键。

       目前，离子注入法是制备NV中心最常用的技术，但该方法存在不可规避的固有缺陷：会引入晶格损伤与残余应变，进而导致NV中心相干时间缩短、电荷态不稳定，同时引发光学与自旋谱线展宽。此外，氮原子向NV中心的转化效率偏低，且NV轴取向难以精准调控，这些问题已成为制约相关量子器件性能提升的核心瓶颈。

       针对上述问题，日本金泽大学先进金刚石科学与技术研究中心（ARCDia）研究团队提出了一种全新的 NV 中心选择性“埋藏生长”工艺。该方法基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD），其核心创新在于：将选择性刻蚀与 NV 掺杂的同质外延生长整合在同一 CVD 腔体内连续完成，避免了传统多工序过程中样品反复装卸带来的污染和对准误差。相关研究成果在国际期刊《Carbon》上发表，论文题为 “Selective homoepitaxial growth of buried diamond films with NV centers”。

       具体工艺步骤如下：研究人员首先在高品质HPHT合成Ib型（100）和（111）取向单晶金刚石衬底上，沉积Au/Ti金属掩膜，并通过光刻技术制备出尺寸为3 μm和20 μm的方形开口；随后，在H₂+N₂等离子体环境下，对衬底的暴露区域进行选择性刻蚀，其中氮气的引入不仅显著提升了金刚石的刻蚀速率，还有效增强了Ti掩膜在高温氢等离子体环境中的稳定性；刻蚀完成后，无需将样品取出腔体，仅需切换气体条件，即可在刻蚀区域直接开展NV掺杂金刚石的同质外延生长，最终获得NV中心被选择性埋藏于预设区域的金刚石结构。

       为验证工艺效果，研究团队采用共聚焦荧光成像与光学探测磁共振（ODMR）技术，对埋藏区域内NV色心的分布特征及自旋特性进行了系统表征。测试结果表明，无论在（100）还是（111）取向衬底上，NV色心均成功局域于预定义的埋藏区域，且完美保留了单晶特性。尤为值得关注的是，在（111）取向金刚石中，埋藏生长得到的NV色心展现出极高的取向一致性——3 μm图形区域内的取向度可达85%~90%，而20 μm图形区域内的取向度进一步提升至98%。

       这一实验结果证实，在适宜的生长窗口下，埋藏生长过程由台阶流机制主导，该机制可自然诱导NV轴沿特定⟨111⟩方向取向排列，为构筑高一致性NV中心系综提供了可靠的技术途径。

       总体而言，该研究首次在多晶向单晶金刚石衬底上，实现了NV中心的选择性埋藏同质外延生长，成功规避了传统离子注入法存在的晶格损伤、取向随机及转化效率低等关键问题，且展现出优异的工艺稳定性与可重复性。该全新工艺为未来金刚石量子传感器、量子网络及集成化量子器件的材料设计与制备，提供了全新的技术思路与解决方案。

       图文导读

       图1. 埋入式NV中心制备工艺示意图。本研究的核心策略在于采用含氮气体，该气体既能加速金刚石蚀刻，又能增强金属掩模的耐久性。由此可在单一化学气相沉积（CVD）腔室内连续进行蚀刻与生长工艺，无需卸载样品。

       图2. 通过激光微加工技术获得的高度图，分别对应(a) 3 μm和(d) 20 μm方形图案在(100)金刚石基底上不同埋入生长阶段的状态。各图中的编号对应图1所示的(1–4)个工艺阶段。图(b)和(e)展示X方向截面，图(c)和(f)展示Y方向截面。