金刚石，解开晶体应力的80年猜想

日本研究人员首次直接测绘出金刚石晶体结构中原子级缺陷周边应力场的多个分量。该研究由日本物质材料研究机构的Tokuyuki Teraji主导，研究团队利用金刚石内的氮‑空位（NV）中心完成实验。氮‑空位中心的自旋态，会依据自身相对应力场的取向不同，对应力产生差异化响应。

该技术验证了一项已有80年历史的理论，该理论描述金刚石内部微型应力场的分布规律，同时还有望改进新兴技术所需的高品质金刚石制造工艺。

原子尺度缺陷

即便是金刚石这类原子排布规整的晶体，也总会存在原子级缺陷：相邻原子行列发生错位，这类缺陷被称为 “位错”。位错会产生微小的应力场，并向周围原子扩散。在整个晶体晶格当中，位错会显著改变材料的力学、电学与磁学性能。

80多年前，物理学家借助弹性理论推导出描述这类应力场的数学表达式，也就是应力张量，它可以定义位错周边任意位置的应力大小。自此之后，这套理论成为人类理解位错行为的基础，涵盖位错储存的能量、位错之间的相互作用力。但想要直接测量这些微观应力场却十分困难：现有技术仅能捕捉应力的部分特征，该理论始终没有得到完整实验验证。

到如今，在下一代功率器件、量子器件的研发工作中，这一难题变得愈发突出。不少前沿技术都需要在实验室制备高品质晶体，对工艺控制精度要求极高。缺少直接测量位错应力场的可靠手段，人们就难以判断这类缺陷会如何改变晶体性能，材料也就无法发挥全部潜力。

荧光应力场

本项研究中，Teraji的团队将氮‑空位（NV）中心用作探测位错周边应力的微型传感器。当金刚石晶格中的一个碳原子被氮原子替换，且旁边存在晶格空位时，就会形成NV中心缺陷。

Teraji表示：“我们意识到，想要获得更高品质的金刚石晶体，就必须实现晶体内部的‘应力成像’。为此，我们一方面优化量子传感技术，另一方面调整晶体内部的氮元素浓度。”

NV中心非常适合量子传感应用。与之相关的未成对电子自旋态，对局域环境（包括机械应力）高度敏感；同时它稳定性优异，即便在室温环境下，也可以长时间保存量子信息。

除此之外，它的自旋态可以通过光学手段轻松读取。激光照射下，NV中心的荧光亮度会随自旋状态改变。施加微波信号可以翻转自旋，但只有微波频率与NV中心共振频率匹配时才会生效，此时荧光亮度会出现可检测的衰减。

揭示应力分布规律

研究团队利用上述物理特性，分析位错应力场会如何改变NV中心的共振频率。金刚石晶格内，NV中心共有四种可能的空间取向。关键在于：共振频率的偏移量，取决于外加应力相对于氮‑空位连线轴的方向。处在同一个应力场中时，不同取向的NV中心会产生细微的频率偏移，借此就可以把应力张量的各个分量分离开来。

为捕捉该偏移信号，研究人员先采用化学气相沉积法制备高品质金刚石薄膜，找到一处主要受单一45° 位错主导的应力区域。

薄膜使用碳‑12同位素富集的碳源生长，以此提升自旋相干性。同时精细调控薄膜内部氮浓度，在不破坏自旋相干性的前提下，最大化NV中心的荧光亮度。

研究人员利用共聚焦显微镜，向薄膜各处的NV中心施加两组微波脉冲，脉冲间隔经过精确设计。依靠荧光亮度信号，这套方法可以极高精度测得共振频率，应力检测精度可达约1兆帕，相比传统手段提升约一个数量级。

基于测量数据，团队测绘出位错周围应力张量的四个独立分量。Teraji解释道：“测量结果显示，应力以位错为中心呈点对称分布，成功捕捉到微小的应力变化。”

研究人员利用弹性理论对实验数据拟合计算，得到的金刚石弹性参数和块体金刚石公认参数高度吻合，证明实测应力张量和理论计算结果保持高度一致。Teraji补充：“这是世界上首次通过实验，直接验证弹性理论所预测的单个位错周边解析应力张量。”

面向真实缺陷开展探测

基于本次成果，Teraji团队认为，这套 “金刚石精细制备 + 直接应力测量” 的组合方案，有望为多项新兴技术带来重大突破。

Teraji称：“该组合方法能够对造成器件性能劣化的微观缺陷周边局域应力场做定量评估与数据拟合。进而为进一步优化晶体生长工艺、提升下一代功率器件与量子器件可靠性提供直接依据。”该技术可以直接测量单个位错的应力场，还能区分独立位错与位错束，最终会为晶体缺陷分析提供一套强大的全新研究框架。