Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums in einem Substrat mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrates, welches ein kristallines Material enthält oder daraus besteht, Bestrahlen von zumindest einer Teilfläche des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung zur Erzeugung zumindest einer Vakanz. Solche Verfahren können zur Herstellung von Magnetometern oder Spinn-basierten Quantenregistern eingesetzt werden.

Aus T. Jaffe, M. Attrash, M. K. Kuntumalla, R. Akhvlediani, S. Michaelson, L. Gal, N. Felgen, M. Fischer, J. P. Reithmaier, C. Popov, A. Hoffman und M. Orenstein: „Novel ultra localized and dense nitrogen delta-doping in diamond for advanced quantum sensing", Nano Letters 2020, 20, 5,

3192 ist bekannt, in ein Diamantsubstrat Stickstoff als Dotierstoff in Form von einer oberflächenparallelen Dotier schicht einzubringen. Hierdurch können optisch adressierbare Farbzentren in Form von NV-Zentren in Diamant erzeugt werden, welche einen gleichmäßigen Abstand von der Oberfläche aufweisen.

Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die NV-Zentren zwar in der Tiefe mit hoher Genauigkeit reproduzierbar im Substrat angeordnet werden können. Inner halb der durch das Substrat aufgespannten Ebene ist die Lage der NV-Zentren jedoch im Wesentlichen unkontrolliert. Insbe sondere die Herstellung von Spin-basierten Quantenregistern oder QuBits ist somit nicht möglich. Hierzu müssen NV- Zentren dreidimensional im Substrat präzise positioniert erzeugt werden, sodass die Elektronenspins verschiedener NV- Zentren deterministisch gekoppelt und entkoppelt werden können. Dies erfordert die Erzeugung von einem Paar von NV- Zentren, welche einen Abstand von weniger als 50 nm zueinan der aufweisen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem einzelne NV-Zentren oder Paare von NV-Zentren mit einem definierten Abstand an vorgebbaren Stellen im Substrat erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines optisch adressierbaren Farbzentrums in einem Substrat. Hier bei kann das Substrat ein kristallines Material enthalten oder daraus bestehen. Das Substrat kann mono- oder polykris tallin sein. Ein monokristallines Material hat dabei den Vorteil, dass die Eigenschaften der Farbzentren verbessert sein können, insbesondere die Kohärenzzeiten. Ein polykris tallines Substrat kann großflächig hergestellt werden, was insbesondere die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Massenartikeln erleichtert. Das Substrat kann als Dünn schicht auf einem Trägermaterial ausgebildet sein. Insbeson dere kann eine solche Dünnschicht epitaktisch gewachsen sein.

Erfindungsgemäß wird in das Substrat zumindest ein optisch adressierbares Farbzentrum eingebracht. Das Farbzentrum enthält dabei zumindest eine Vakanz bzw. Fehlstelle, welche einen Gitterplatz im kristallinen Material des Substrates einnimmt . Der Vakanz können Bindungselektronen der nächsten Nachbaratome des Kristallgitters zugeordnet sein. Darüber hinaus kann das die Vakanz enthaltende Farbzentrum negativ geladen sein. Ungebundene Elektronen des Farbzentrums können einen Grund- und zumindest einen angeregten Zustand auf- weisen, wobei der jeweilige Zustand des Farbzentrums spek troskopisch erfasst und/oder manipuliert werden kann. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird ein solches Farbzentrum optisch adressierbar genannt.

Sofern das Farbzentrum zumindest einen entarteten Dublett- Zustand aufweist, dessen Entartung durch ein externes magnetisches oder elektrisches Feld aufgehoben werden kann, kann das erfindungsgemäß hergestellte Farbzentrum beispiels weise als Magnetometer verwendet werden. Darüber hinaus kann das optisch adressierbare Farbzentrum Teil eines QuBits oder eines mehrere QuBits enthaltenden Quantenregisters sein.

Zur Erzeugung der Vakanz wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Substrat bzw. zumindest eine Teilfläche des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung zu bestrahlen. Die elek tromagnetische Strahlung ist dazu eingerichtet und bestimmt, ein Atom des Kristallgitters von einem Gitterplatz zu ent fernen und damit eine Vakanz zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die hierzu verwendete elektroma gnetische Strahlung aus dem Bereich weicher Röntgenstrahlung oder harter UV-Strahlung (EUV) des elektromagnetischen Spektrums zu wählen, d.h. die eingesetzte elektromagnetische Strahlung weist eine Vakuumwellenlänge von weniger als 20 nm auf. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektromagnetische Strahlung weist eine geringe Eindringtiefe auf, welche in einigen Ausführungsformen der Erfindung weniger als 20 mpi oder weniger als 10 mpi oder weniger als 5 mpibetragen kann. Hierdurch können die Farbzentren oberflächennah im Substrat erzeugt werden. Die kurze Wellenlänge ermöglicht darüber hinaus eine hohe räumliche Auflösung, welche noch verbessert wird durch eine nicht-lineare Skalierung der Erzeugungswahr scheinlichkeit mit der Intensität. Auf diese Weise können optisch adressierbare Farbzentren bzw. Vakanzen an definierten Orten innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene erzeugt werden. Anders als das bekannte Verfahren nach dem Stand der Technik, welches nur eine gute Tiefenauflösung ermöglicht, jedoch eine geringe laterale Auflösung hat, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ort des Farbzentrums lateral mit großer Genauigkeit kontrolliert werden. Damit ist es möglich, Farbzentren an genau definierten Orten innerhalb des Substrates zu erzeugen und/oder Farbzentren mit einem vorgebbaren Abstand zuein ander im Substrat zu erzeugen. Dieser vorgebbare Abstand kann in einigen Ausführungsformen geringer sein als etwa 50 nm, sodass eine Spin-Spin-Kopplung der Elektronenspins der benachbarten Farbzentren möglich wird.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat weiterhin zumindest einen Dotierstoff enthalten. Der Dotier stoff kann dazu eingerichtet sein, flache Störstellen im Substrat zu erzeugen, welche zur Ausbildung von Nichtgleich- gewichtsladungsträgern im Substrat führen. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann der Dotierstoff zumindest teilweise auf einem Gitterplatz des Kristallgitters des Substrates eingebaut sein.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff ausgewählt sein aus Stickstoff und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zink und/oder Blei. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das kristalline Mate rial des Substrates ausgewählt sein aus Diamant oder Sili- ciumcarbid oder Zinkoxid oder Bornitrid. Das optisch adressierbare Farbzentrum kann somit ein an sich bekanntes Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV-Zentrum) in Diamant sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann in Diamant ein Silizium-Vakanz-Zentrum, ein Germanium-Vakanz-Zentrum, ein Zink-Vakanz-Zentrum und/oder ein Blei-Vakanz-Zentrum erzeugt werden. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Stickstoff-Vakanz-Zentrum und/oder ein Bi-Vakanz- Zentrum in Siliziumcarbid erzeugt werden. In wiederum ande ren Ausführungsformen der Erfindung kann ein Zink-Vakanz- Zentrum in Zinkoxid erzeugt werden. In wiederum anderen Aus führungsformen der Erfindung können Vakanzen in zwei dimensionalen Materialien erzeugt werden, beispielsweise in Bornitrid.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektro magnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 2 nm bis etwa 20 nm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 9 nm bis etwa 15 nm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung eine Vakuumwellenlänge von etwa 13,2 nm bis etwa 13,8 nm aufweisen. Dies entspricht einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm + 2 %. Schließlich kann die elektromagnetische Strahlung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Vakuumwellenlänge von etwa 4 nm bis etwa 6 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vakuumwellenlänge zwischen etwa 4,7 nm bis etwa 5,1 nm betragen, dies entspricht einer Wellenlänge von 4,9 nm +

4 %. Gegenüber Elektronen- oder Ionenstrahlen kann die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung eine bessere Kristallqualität ermöglichen, so dass die Kohärenzzeit der so erzeugte Farbzentren verlängert sein kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung fokussierbar und/oder zur Interferenz fähig, so dass der Ort der Entstehung der Vakanz kontrolliert werden kann.

Die elektromagnetische Strahlung kann in einigen Aus führungsformen der Erfindung durch eine inkohärente Strahlungsquelle erzeugt werden. Die Brillanz einer inko härenten Strahlungsquelle kann größer als 1-10 ¹⁰ Photonen pro Sekunde innerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs und des aufgefangenen Raumwinkels betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die erfindungsgemäß verwendete elektromagnetische Strahlung mittels einer kohärenten Strahlungsquelle erzeugt werden.

Die Brillanz einer kohärenten Strahlungsquelle kann größer sein als 1-10 ⁷ Photonen pro Sekunde innerhalb des genutzten Wellenlängenbereichs. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlungsquelle eine Plasmaquelle sein, welche beispielsweise ein Edelgasplasma oder ein Metall dampfplasma verwendet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung mit einer Synchrotronstrahlungsquelle oder einem Freie-Elektronen- Laser erzeugt werden.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zumindest eine Teilfläche des Substrates mit einer Dosis von etwa 1 J/cm ² bis etwa 20 J/cm ² oder von etwa 5 J/cm ² bis etwa 15 J/cm ² oder von etwa 8 J/cm ² bis etwa 12 J/cm ² der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt werden. Diese Strahlungsdichte reicht aus, um eine hinreichende Dichte an Farbzentren zu erzeugen und andererseits eine übermäßige Schädigung des Kristallgitters des Substrates zu verhindern.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilfläche des Substrates eine Fläche von etwa 10 nm ² bis etwa 100 nm ² aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilfläche des Substrates eine Fläche von etwa 4 nm ² bis etwa 200 nm ² aufweisen. Hierdurch können die Farbzentren in einem lateral begrenzten Bereich des Substrates erzeugt werden. Hierdurch lassen sich auch eng benachbarte Farbzentren erzeugen, sodass eine Spin-Spin-Kopplung zwischen benachbarten Farb zentren möglich ist oder ein Magnetometer mit hoher räumlicher Auflösung hergestellt werden kann.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwei der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzte Teilflächen des Substrates einen Abstand von etwa 4 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 50 nm zueinander aufweisen. Dies erlaubt eine Spin-Spin-Kopplung zwischen benachbarten Farb- zentren, sodass sich diese in einem verschränkten Zustand befinden können.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf dem Substrat ein Interferenzmuster erzeugt oder eine Maske mittels einer refraktiven oder reflektiven Optik abgebildet werden. Hierdurch können mehrere Teilflächen mit definiertem Abstand zueinander der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden, sodass eine vorbestimmbare örtliche Verteilung innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene der so entstehenden Farbzentren im Substrat erzeugt wird.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff in Form von zumindest einer oberflächenparallelen Dotierschicht in das Substrat eingebracht sein, wobei an die Dotierschicht nominell undotiertes kristallines Material angrenzt. Dieses Merkmal erlaubt eine dreidimensionale Kontrolle des bzw. der Orte der entstehenden Farbzentren, da durch die Auswahl der jeweils bestrahlten Teilfläche des Substrates der Ort innerhalb der Substratebene definiert wird und durch die Lage der Dotierschicht die Tiefe innerhalb des Substrates.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dotier schicht eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 5 nm aufweisen. Eine niedrigere Dicke der Dotierschicht erlaubt dabei eine bessere räumliche Lokalisierung der Farbzentren entlang der Normalenrichtung des Substrates. Darüber hinaus können die Farbzentren verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine verlängerte Kohärenzzeit, aufweisen, wenn diese an nominell undotiertes bzw. intrinsisches Material im Substrat angrenzen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotier stoff im Substrat bzw. in einer oberflächenparallelen Dotierschicht in einer Konzentration von etwa 50 ppm bis etwa 5000 ppm oder von etwa 50 ppm bis etwa 500 ppm oder von etwa 80 ppm bis etwa 400 ppm oder von etwa 400 ppm bis etwa 1000 ppm vorhanden sein. In diesem Wertebereich werden einerseits Farbzentren mit hoher Effizienz hergestellt. Andererseits werden die so entstandenen Farbzentren nicht durch den Dotierstoff negativ beeinflusst, insbesondere bleibt die Kohärenzzeit in einem technisch nutzbaren Bereich .

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat in einem PVD- oder CVD-Verfahren hergestellt werden. Hier durch kann der Dotierstoff in besonders einfacher Weise in der gewünschten Konzentration eingebracht werden. Darüber hinaus können dotierte Schichten in intrinsisches Material eingebettet werden oder innerhalb der durch das Substrat definierten Ebene nur einzelne Flächenbereiche mit einem Dotierstoff versehen werden.

In einigen Ausführungsformen kann das Substrat in einem PVD- oder CVD-Verfahren überwachsen werden, wobei eine Dotier schicht eingebracht werden kann. Nach einer Bestrahlung zur Erzeugung von Farbzentren kann das Substrat erneut in einem PVD- oder CVD-Verfahren überwachsen werden, wobei eine weitere Dotierschicht eingebracht werden kann, welche danach wiederum zur Erzeugung von Farbzentren bestrahlt wird. Hier- duch können Farbzentren in einem dreidimensionalen Gitter bzw. Raster im Substrat erzeugt werden.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Oberfläche des Substrates vor der Bestrahlung von zumindest einer Teilfläche poliert werden. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann die Politur dazu führen, dass zumindest eine Oberfläche des Substrates eine Rauheit von weniger als etwa 2 nm oder weniger als etwa 1 nm auf- weist. Hierdurch kann die Erzeugung der Farbzentren mit höherer Genauigkeit erfolgen und/oder die Farbzentren können verbesserte Eigenschaften aufweisen.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Oberfläche des Substrates eine Oberflächenterminierung aufweisen, welche die Elektronegativität gegenüber der freien Oberfläche erhöht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann hierzu eine Oberflächenterminierung mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Fluor erfolgen.

Unter einer Oberflächenterminierung werden für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung Fremdatome verstanden, welche an die freien Bindungen der Atome an der Oberfläche des Kristallgitters des Substrates gebunden sind. Die Oberflächenterminierung kann eine verbesserte Erzeugung und/oder Ladungsstabilisierung der Farbzentren ermöglichen.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat nach der Bestrahlung bei einer Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1000°C oder von etwa 800°C bis etwa 1000°C getempert werden, um das Ausheilen von Defekten zu ermöglichen und/oder die durch die Bestrahlung erzeugten Vakanzen an einen zum Dotierstoff benachbarten Gitterplatz zu transportieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat bereits während der Bestrahlung auf eine Temperatur von etwa 600°C bis etwa 1000°C oder von etwa 800°C bis etwa 1000°C erwärmt werden. Hierdurch kann die Anzahl der erzeugten Farbzentren erhöht oder die Anzahl der verbleibenden Gitterschäden reduziert sein und/oder die erforderliche Bearbeitungszeit für einen zusätzlichen Verfahrensschritt eingespart werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung eines NV-Zentrums in Diamant .

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat im Schnitt.

Figur 3 zeigt die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung gegen die Wellenlänge für drei verschiedene Substratmaterialien .

Figur 4 zeigt Photolumineszenzaufnahmen vor und nach der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung.

Figur 5 zeigt das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge eines Substrates vor der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung .

Figur 6 zeigt das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge für ein Substrat nach der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung .

Figur 7 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines Farbzentrums in einem Substrat .

Figur 8 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Farbzentrums in einem Substrat .

Figur 9 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Farbzentrums in einem Substrat .

Anhand der Figur 1 wird die Struktur eines NV-Zentrums als Beispiel eines erfindungsgemäßen Farbzentrums erläutert. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Kristallgitter von Diamant. Die Diamantstruktur ist durch ein FFC-Gitter mit zweiatomiger Basis charakterisiert. Das ungestörte, einkristalline Diamantgitter besteht ausschließlich aus sp ³ - hybridisiertem Kohlenstoff. Ein NV-Zentrum wird durch ein Stickstoffatom N gebildet, welches einen Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms einnimmt. Benachbart zum Stickstoffatom befindet sich eine Leerstelle bzw. Vakanz V. Die nächsten Nachbarn der Leerstelle sind somit drei Kohlenstoffatome C und ein Stickstoffatom N. Die Störung des Kristallgitters durch eine Leerstelle und ein benachbartes Stickstoffatom N gibt dem NV-Zentrum seinen Namen.

Der Vakanz V sind somit fünf Elektronen zugeordnet, nämlich drei Bindungselektronen der benachbarten Kohlenstoffatome sowie zwei Elektronen des Stickstoffatoms. Darüber hinaus kann das NV-Zentrum negativ geladen sein, sodass dem NV- Zentrum sechs Elektronen zugeordnet sind.

Die zwei ungebundenen Elektronen des negativ geladenen NV- Zentrums bilden einen Triplett-Zustand. Dieser besteht aus einem Spin-Singulet mit m _s = 0 und einem Dublett mit m _s = +1. Die Dublett-Zustände m _s = +1 sind energetisch entartet, d. h. beide Zustände weisen dieselbe Energie auf. Spin-Singulett und Spin-Dublett sind energetisch getrennt. Die Separation beträgt 12 peV.

In gleicher Weise wie in Figur 1 beispielhaft für ersten NV- Zentrum in Diamant gezeigt, können erfindungsgemäß auch andere Farbzentren in Form von vakanzbasierten Quanten systemen erzeugt werden, beispielsweise ein SiV-Zentrum, ein GeV-Zentrum, ein ZnV-Zentrum oder ein PbV-Zentrum. Sofern das Substrat keinen Diamant enthält oder daraus besteht, sondern beispielsweise SiC, kann das Farbzentrum ebenfalls ein NV-Zentrum oder ein Bi-Vakanz-Zentrum sein. Sofern das Substrat ZnO enthält oder daraus besteht, kann das Farb zentrum ein ZnV-Zentrum sein, wobei V jeweils für die Vakanz steht. Das optisch adressierbare Farbzentrum kann in einigen Aus führungsformen der Erfindung als Magnetometer verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das optisch adressierbare Farbzentrum bzw. eine Mehrzahl benachbarter Farbzentren Teil eines QuBits sein, wobei eine Mehrzahl von QuBits zu einem Quantenregister zusammengefasst sein kann. Ein solches Quantenregister kann dazu einge richtet sein, bei Raumtemperatur oder bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs zu arbeiten.

Anhand der Figur 2 wird ein Ausführungsbeispiel eines Substrates 1 im Schnitt dargestellt. Das Substrat 1 enthält ein kristallines Material, beispielsweise Diamant, Silizium- carbid, Zinkoxid oder Bornitrid. Das Substrat kann homoepi- taktisch oder heteroepitaktisch mittels aktivierter Gas phasenabscheidung erzeugt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat monokristallin sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat polykristallin sein. Dabei eignen sich heteroepitaktisch erzeugte, polykristalline Substrate insbesondere zur Herstellung großflächiger Substrate für den Massenmarkt. Heteroepitaktisch erzeugte, monokristalline Substrate können optisch adressierbare Farbzentren mit besonders hoher Qualität bereitstellen.

Figur 2 zeigt weiter, dass das Substrat 1 eine erste Seite 11 und eine gegenüberliegende zweite Seite 12 aufweist. Die erste Seite 11 kann in einigen Ausführungsformen poliert sein, sodass diese eine RMS-Rauheit von weniger als etwa 2 nm oder weniger als etwa 1 nm aufweist. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann die erste Seite 11 eine Oberflächenterminierung aufweisen, welche die Elektronegati vität gegenüber der freien Oberfläche erhöht. Sofern das Substrat 1 Diamant enthält oder daraus besteht, kann die Oberflächenterminierung Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Fluor enthalten oder daraus bestehen. Figur 2 zeigt weiter, dass das Substrat 1 eine Dotierschicht 15 enthält. Innerhalb der Dotierschicht 15 ist ein Dotier stoff in einer Konzentration von etwa 50 ppm bis etwa 5000 ppm oder von etwa 50 ppm bis etwa 500 ppm oder von etwa 80 ppm bis etwa 400 ppm oder von etwa 400 ppm bis etwa 1000 ppm eingebracht. Die Dotierschicht kann entlang des Normalen vektors des Substrates 1 eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 10 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 5 nm aufweisen. Die Dotierschicht kann beispiels weise Stickstoff enthalten, sofern das Substrat 1 Diamant enthält oder daraus besteht. An die Dotierschicht 15 angren zend befindet sich nominell undotiertes kristallines Material. Die Dotierschicht 15 kann in einer Tiefe von etwa 4 mpibis etwa 10 mpiausgehend von der ersten Seite 11 des Substrates 1 im Substrat vorhanden sein. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann das Substrat 1 eine Mehr zahl von Dotierschichten 15 enthalten, welche zueinander jeweils einen Abstand von etwa 5 mpibis etwa 10 mpiauf- weisen. Hierdurch können optisch adressierbare Farbzentren, beispielsweise NV-Zentren, in einem dreidimensionalen Gitter innerhalb des Substrates 1 angeordnet werden.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Substrat 1 ausgehend von der ersten Seite 11 mit elektromagnetischer Strahlung zu bestrahlen, welche eine Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm aufweist. In einigen Ausführungs formen der Erfindung kann die Vakuumwellenlänge im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 20 nm oder von etwa 9 nm bis etwa 15 nm oder von etwa 4 nm bis etwa 6 nm gewählt sein. Die elek tromagnetische Strahlung hat die Wirkung, dass im Kristallgitter des Substrates 1 Vakanzen erzeugt werden, welche zusammen mit dem Dotierstoff das gewünschte Farb- zentrum bilden, im dargestellten Ausführungsbeispiel NV- Zentren in Diamant. Sofern das Substrat 1 nicht vollflächig bestrahlt wird, sondern lediglich eine oder mehrere Teil flächen des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt werden, entstehen die NV-Zentren auch nur in den bestrahlten Teilzentren, sodass diese an genau definierten Orten innerhalb der durch das Substrat 1 definierten Ebene lokalisiert sind. Hierdurch ist es beispielsweise auch möglich, Gruppen von eng benachbarten NV-Zentren zu erzeugen, welche von benachbarten Gruppen von NV-Zentren einen größeren Abstand einnehmen. Zwei eng benachbarte NV-Zentren können beispielsweise einen Abstand von etwa 4 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 50 nm aufweisen, sodass zwischen diesen benachbarten NV-Zentren eine Spin-Spin-Kopplung auftritt.

Anhand der Figur 3 wird die Eindringtiefe in Nanometern auf der Ordinate gegen die Wellenlänge in Nanometern für verschiedene Substratmaterialien dargestellt, nämlich Diamant, Siliziumcarbid und Zinkoxid. Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass eine optimale Eindringtiefe von etwa 10 nm bis etwa 10 mpi im Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,9 nm und etwa 18 nm gegeben ist. Somit können oberflächennahe, optisch gut adressierbare und auslesbare Farbzentren im Substrat 1 erzeugt werden.

Anhand der Figuren 4 bis 6 wird die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung nochmals erläutert. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus der ersten Seite 11 eines Substrates 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Substrat Diamant, welcher mit Stickstoff dotiert ist. Die Dotier konzentration beträgt zwischen etwa 50 ppm und etwa 300 ppm. Eine etwa kreisrunde Teilfläche des Substrates 1 wurde mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von etwa 4,9 nm bestrahlt. Die applizierte Dosis beträgt 10 J/cm ² .

Figur 4 zeigt das Photolumineszenzsignal vor der Bestrahlung im linken Bildteil und nach der Bestrahlung im rechten Bildteil. Wie Figur 4 zeigt, nimmt die Photolumineszenz in der bestrahlten Teilfläche deutlich zu. Dies ist in Figur 5 und Figur 6 nochmals näher erläutert. Dargestellt ist jeweils das Fluoreszenzsignal in willkürlichen Einheiten gegen die Wellenlänge in Nanometern. Sowohl in Figur 5 als auch in Figur 6 ist die Zero-Photon-Line des NV-Zentrums mit einem Pfeil markiert. Dargestellt ist das Fluoreszenzsignal gegen die Wellenlänge jeweils für eine Teilfläche außerhalb des bestrahlten Bereiches in Kurve A und innerhalb des bestrahlten Bereiches in Kurve B. Wie Figur 5 zeigt, verhält sich das Substrat innerhalb der für die Bestrahlung vorgesehenen Teilfläche und außerhalb der für die Bestrahlung vorgesehenen Teilfläche identisch. Es besteht kein wesentlicher Unterschied in den Fluoreszenzsignalen.

Die Zero-Photon-Line des NV-Zentrums ist nur gering ausgeprägt .

Nach der Bestrahlung der etwa kreisförmigen Teilfläche, wie in Figur 4 ersichtlich, ist das Fluoreszenzsignal gemäß Kurve A außerhalb der bestrahlten Teilfläche im Wesentlichen unverändert. Kurve B, welche innerhalb der bestrahlten Teil fläche aufgenommen wurde, zeigt hingegen einen deutlichen Anstieg des Fluoreszenzsignals. Insbesondere tritt die Zero- Photon-Line des NV-Zentrums deutlich hervor. Damit zeigen die Figuren 4 bis 6, dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm durch nicht-lineare optische Effekte Vakanzen erzeugt werden, welche bei erhöhter Temperatur im Kristallgitter des Substrates 1 mobil sind und nach Anlagerung an ein Stick stoffatom ein NV-Zentrum bilden. Sofern nur einzelne, eng begrenzte Teilflächen des Substrates mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt werden, entstehen auch die Farb- zentren nur in diesen Bereichen. Hierdurch können einzelne Farbzentren oder auch Gruppen eng benachbarter Farbzentren im Substrat 1 erzeugt werden. Hierfür können in einigen Ausführungen die anhand der Figuren 7, 8 und 9 näher beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtungen enthalten jeweils eine Lichtquelle 2, welche elektromagnetische Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von weniger als etwa 20 nm aussendet. Die Vakuumwellenlänge der elektromagne tischen Strahlung kann beispielsweise 4,9 nm + 4 % oder 13,5 nm + 2 % betragen. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine Plasmaquelle sein, welche aus einem Zink- oder Argonplasma elektromagnetische Strahlung im genannten Wellenlängenbereich erzeugt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Lichtquelle 2 eine kohärente Lichtquelle sein, beispielsweise Synchrotronstrahlung oder ein Freie-Elektronen-Laser.

Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 wird das Licht der Lichtquelle 2 durch eine fokussierende Optik 3 auf einen Fokuspunkt 20 auf dem Substrat 1 fokussiert. Die fokussierende Optik 3 kann beispielsweise eine diffraktive oder reflektive Optik sein. Der Fokuspunkt 20 kann durch relative Bewegung des Substrates 1 und der Optik 3 auf eine vorgebbare Teilfläche des Substrates 1 gelenkt werden, sodass der Ort der Entstehung der Farbzentren mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden kann.

Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 8 zeigt ebenfalls eine Lichtquelle 2. Die von dort ausgehende Strahlung wird über eine diffraktive oder reflektive Optik 3 auf eine Maske 4 gelenkt. Das Bild der Maske 4 wird sodann mittels einer Abbildungsoptik 5 auf die Oberfläche des Substrates 1 abgebildet. Die Maske 4 kann beispielsweise eine Lochmaske oder eine Streifenmaske sein. Dementsprechend entsteht auf dem Substrat 1 ein Punkt- oder Streifenmuster 25, wobei die Intensität in den Minima weniger als etwa 75 % oder weniger als etwa 60 % der Intensität der Maxima beträgt. Da die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Farbzentrums nichtlinear mit der Intensität der elektromagnetischen Strahlung ansteigt, reicht dieser Kontrast des Punkt- oder Streifenmusters 25 aus, um an den Orten der Maxima Farbzentren im Substrat 1 zu erzeugen und die Erzeugung von Farbzentren an den Minima zu unterdrücken. Somit ist die in Figur 8 gezeigte Vorrichtung dazu geeignet, mit nur einer einzigen Belichtung eine Viel zahl von Farbzentren und/oder Paaren von Farbzentren an definierten Orten innerhalb des Substrates 1 zu erzeugen.

Anhand der Figur 9 wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Gleiche Bestand teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unter schiede beschränkt. Auch die dritte Ausführungsform gemäß Figur 9 enthält eine Lichtquelle 2, deren Strahlung durch eine diffraktive oder reflektive Optik 3 auf das Substrat 1 gelenkt wird. Weiterhin befindet sich im Strahlengang eine absorbierende Maske 4 oder ein Beugungsgitter. Im ersten Fall wird elektromagnetische Strahlung von der Maske 4 absorbiert, sodass sich auf der Oberfläche 1 wiederum ein Punkt- oder Streifenmuster 25 ausbildet. Im anderen Aus führungsbeispiel bildet sich das Punkt- oder Streifenmuster 25 als Interferenzmuster auf dem Substrat 1.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.