C3H6N6-NiS2添加剂体系N-S共掺杂金刚石晶体的表征与NV色心调控

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0050

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (8): 1274-1281.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0050

C₃H₆N₆-NiS₂添加剂体系N-S共掺杂金刚石晶体的表征与NV色心调控

和莎莎¹(), 张喜云², 李尚升¹(), 李晓晓¹, 胡强³^,⁴, 胡美华¹, 陈晶晶¹, 郭正浩¹, 李建林⁴, 李立⁴, 赵春红⁴, 肖宏宇⁵(), 李勇⁵

^1.河南理工大学材料科学与工程学院，焦作 454003
^2.焦作大学人事处，焦作 454000
^3.河南理工大学物理与电子信息学院，焦作 454003
^4.河南飞孟金刚石股份有限公司，孟州 454100
^5.铜仁学院物理与电子信息工程学院，铜仁 554300

收稿日期:2026-03-24 出版日期:2026-08-20 发布日期:2026-08-26
通信作者: 李尚升，博士，教授。E-mail：lishsh@hpu.edu.cn；
肖宏宇，博士，副教授。E-mail：xiaohy0205@163.com
作者简介:和莎莎（2001—），女，河南省人，硕士研究生。E-mail：3511285948@qq.com
基金资助:
河南省自然科学基金面上项目(262300420020);河南省科技攻关项目(232102231048);高压与超硬材料全国重点实验室（吉林大学）开放课题(202501);贵州省科技厅项目(黔科合基础-ZK〔2023〕一般467);铜市科研〔2025〕57号

Characterization and NV Color Center Adjustment of N-S Co-Doped Diamond Crystals in C₃H₆N₆-NiS₂ Additive System

HE Shasha¹(), ZHANG Xiyun², LI Shangsheng¹(), LI Xiaoxiao¹, HU Qiang³^,⁴, HU Meihua¹, CHEN Jingjing¹, GUO Zhenghao¹, LI Jianlin⁴, LI Li⁴, ZHAO Chunhong⁴, XIAO Hongyu⁵(), LI Yong⁵

^1.School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China
^2.Office of Human Resources，Jiaozuo University，Jiaozuo 454000，China
^3.School of Physics ＆ Electronic Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China
^4.Henan Feimeng Diamond Industrial Co. ，Ltd. ，Mengzhou 454100，China
^5.Department of Physics and Electrical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，China

Received:2026-03-24 Online:2026-08-20 Published:2026-08-26

摘要/Abstract

摘要： 掺杂是调控金刚石NV色心的一种重要手段。本文在高温高压（温度1 281 ℃、压力5.6 GPa）下采用温度梯度法，将不同添加量的NiS₂（S源）和C₃H₆N₆（N源）共同添加到 NiMnCo合金触媒中，进行N-S共掺杂金刚石大单晶的合成。合成样品的光学显微分析表明，当NiS₂（S源）添加量一定时，随着C₃H₆N₆添加量的增加，金刚石颜色由黄色逐渐变为黄绿色，晶体缺陷变多。红外光谱分析表明，C₃H₆N₆添加量增加会导致金刚石样品中C心氮含量增加，同时较大添加量的硫会促进更多的氮进入金刚石中。X射线光电子能谱（XPS）表明，氮和硫原子均成功进入到金刚石晶格中，氮以C—N、N＝O、N—N键的形式存在，硫以C-S-O、C-SO₂-S-O、C-S硫化物的形式存在。拉曼光谱表明，C₃H₆N₆添加量增加会导致金刚石晶体的拉曼峰位偏移增大，内部的畸变程度变大，内应力增加。光致发光（PL）光谱表明，适量的氮和硫有利于金刚石晶格中的C心氮捕获移动的空穴以形成带负电荷的NV^-。本研究为掺杂调控金刚石NV色心的研究提供参考。

关键词: 金刚石; NV色心; 高温高压; 晶体缺陷; 空穴; N-S共掺杂

Abstract: Doping is an important means to control the NV color center of diamond. In this paper， NiS₂ （S source） and C₃H₆N₆ （N source） with different addition amounts were added to NiMnCo alloy catalyst by temperature gradient method under high temperature and high pressure （temperature 1 281 ℃， pressure 5.6 GPa） to synthesize N-S co-doped diamond single crystal. The optical microscopic analysis of the synthesized samples shows that when the addition amount of NiS₂ （S source） is constant， with the increase of C₃H₆N₆ addition， the color of diamond gradually changes from yellow to yellow-green， and the crystal defects become more. Infrared spectroscopy analysis shows that the increase of C₃H₆N₆ addition will lead to the increase of C-center nitrogen content in diamond samples， and the larger amount of sulfur will promote more nitrogen into diamond. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） shows that both nitrogen and sulfur atoms have successfully entered the diamond lattice. Nitrogen exists in the form of C—N， N＝O and N—N bonds， and sulfur exists in the form of C-S-O， C-SO₂-S-O and C-S sulfides. Raman spectroscopy shows that the increase of C₃H₆N₆ addition will lead to the increase of Raman peak shift of diamond crystal， the increase of internal distortion and the increase of internal stress. Photoluminescence （PL） spectra show that an appropriate amount of nitrogen and sulfur is beneficial for the C-center nitrogen in the diamond lattice to capture the moving holes to form negatively charged NV^-. This study provides a reference for the study of doping regulation of diamond NV color center.

Key words: diamond; NV color center; high temperature and high pressure; crystal defect; vacancy; N-S co-doping

中图分类号:

TQ163

和莎莎, 张喜云, 李尚升, 李晓晓, 胡强, 胡美华, 陈晶晶, 郭正浩, 李建林, 李立, 赵春红, 肖宏宇, 李勇. C₃H₆N₆-NiS₂添加剂体系N-S共掺杂金刚石晶体的表征与NV色心调控[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(8): 1274-1281.

HE Shasha, ZHANG Xiyun, LI Shangsheng, LI Xiaoxiao, HU Qiang, HU Meihua, CHEN Jingjing, GUO Zhenghao, LI Jianlin, LI Li, ZHAO Chunhong, XIAO Hongyu, LI Yong. Characterization and NV Color Center Adjustment of N-S Co-Doped Diamond Crystals in C₃H₆N₆-NiS₂ Additive System[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(8): 1274-1281.

图/表 9

图1 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的光学显微照片

Fig.1 Optical microscopic images of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

表1 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石实验结果

Table 1 Experimental results of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

Sample	NiS₂ content/%	C₃H₆N₆ content/%	Color	Inclusion
a	0	0	Yellow	No
b	12	0	Yellow	Little
c	12	0.03	Yellow	No
d	12	0.06	Dull yellow	Many
e	12	0.09	Dull yellow	Many
f	12	0.12	Olivine	Little
g	0	0.09	Green	Little
h	14	0.03	Olivine	Little
i	14	0.06	Olivine	Little
j	14	0.09	Green	Many
k	14	0.12	Black and green	Many

图2 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的红外光谱

Fig.2 Infrared spectra of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

表2 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的氮含量

Table 2 CN in diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

Sample	a	b	c	d	e	f	g	h	i	j
C₃H₆N₆ content/%	0	0	0.03	0.06	0.09	0.12	0.09	0.03	0.06	0.09
NiS₂ content/%	0	12	12	12	12	12	0	14	14	14
C_N/ppm	154	187	217	245	278	695	472	327	353	521

图3 不同C3H6N6添加量的两组共掺杂金刚石的CN

Fig.3 CN in two groups of diamond synthesized by co-doping with different C3H6N6 content

图4 NiS2（12%）和C3H6N6（0.06%）共掺杂金刚石晶体的XPS。（a）C 1s；（b）N 1s；（c）S 2p

Fig.4 XPS of diamond by co-doping with NiS2（12%） and C3H6N6（0.06%）. （a） C 1s；（b） N 1s；（c） S 2p

图5 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的拉曼光谱

Fig.5 Raman spectra of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

表3 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的拉曼峰位、FWHM及内应力

Table 3 Raman peak positions， FWHM and internal stress of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

Sample	Peak position/cm^-1	FWHM/cm^-1	Internal stress/GPa
a	1 332.31	6.20	0.107
b	1 331.80	6.51	0.069
c	1 331.75	5.98	0.086
d	1 331.62	6.34	0.132
e	1 331.47	6.84	0.184
f	1 331.31	6.51	0.239
g	1 331.52	7.08	0.166
h	1 331.56	6.86	0.152
i	1 331.42	6.94	0.201
j	1 331.16	7.35	0.291

图6 C3H6N6-NiS2共掺杂合成金刚石的PL光谱

Fig.6 PL spectra of diamond synthesized by co-doping with C3H6N6-NiS2

参考文献 33

[1]	安　康，张永康，李利军，等. 金刚石机械抛光研究进展［J］. 北方工业大学学报， 2025， 37（6）： 1-12.
	AN K， ZHANG Y K， LI L J， et al. Diamond mechanical polishing research progress［J］. Journal of North China University of Technology， 2025， 37（6）： 1-12 （in Chinese）.
[2]	杨光值，张璐琳. 金刚石钻切技术在超高层建筑拆除工程中的应用［J］. 钻探工程， 2025， 52（6）： 136-141.
	YANG G Z， ZHANG L L. Application of diamond drilling and cutting technology in super high-rise building demolition projects［J］. Drilling Engineering， 2025， 52（6）： 136-141 （in Chinese）.
[3]	尤　悦，李尚升，宿太超，等. 高温高压下金刚石大单晶研究进展［J］. 物理学报， 2020， 69（23）： 238101.
	YOU Y， LI S S， SU T C， et al. Research progress of large diamond single crystals under high pressure and high temperature［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（23）： 238101 （in Chinese）. DOI URL
[4]	龚春生，李尚升，张　贺. P型和N型金刚石薄膜研究进展［J］. 材料导报， 2016， 30（9）： 36-40.
	GONG C S， LI S S， ZHANG H. Research status of P- and N-types diamond thin films［J］. Materials Review， 2016， 30（9）： 36-40 （in Chinese）.
[5]	聂　媛，许安涛，李尚升，等. 以磷化铁为添加剂沿（111）面生长磷掺杂金刚石大单晶［J］. 人工晶体学报， 2022， 51（4）： 587-593.
	NIE Y， XU A T， LI S S， et al. Growth of P doped diamond large single crystals along （111） surface with Fe₃P as additive［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2022， 51（4）： 587-593 （in Chinese）.
[6]	REN Y， LV W， LI X G， et al. Effect of nitrogen on growth and optical properties of single-crystal diamond synthesized by chemical vapor deposition［J］. Materials， 2024， 17（6）： 1311. DOI URL
[7]	BEHA K， BATALOV A， MANSON N B， et al. Optimum photoluminescence excitation and recharging cycle of single nitrogen-vacancy centers in ultrapure diamond［J］. Physical Review Letters， 2012， 109（9）： 097404.
[8]	林豪彬，张少春，董　杨，等. 基于金刚石氮-空位色心的温度传感［J］. 物理学报， 2022， 71（6）： 060302.
	LIN H B， ZHANG S C， DONG Y， et al. Temperature sensing with nitrogen vacancy center in diamond［J］. Acta Physica Sinica， 2022， 71（6）： 060302 （in Chinese）.
[9]	郝敬林，邓丽芬，王凯悦，等. 高温高压合成掺杂金刚石研究进展［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（2）： 194-209.
	HAO J L， DENG L F， WANG K Y， et al. Synthesis of doped diamond by high-pressure and high-temperature： a review［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（2）： 194-209 （in Chinese）.
[10]	SIYUSHEV P， PINTO H， GALI A， et al. Low temperature studies of charge dynamics of nitrogen-vacancy defect in diamond［J］. Physics， 2012， 110（16）： 1-8.
[11]	CAPELLI M， HEFFERNAN A H， OHSHIMA T， et al. Increased nitrogen-vacancy centre creation yield in diamond through electron beam irradiation at high temperature［J］. Carbon， 2019， 143： 714-719. DOI URL
[12]	FU K C， SANTORI C， BARCLAY P E， et al. Properties of implanted and CVD incorporated nitrogen-vacancy centers： preferential charge state and preferential orientation［J］. Advances in Photonics of Quantum Computing， Memory， and Communication IV， 2011， 7948： 79480S.
[13]	NIE Y， LI S S， HU Q， et al. Effects of high pressure and high temperature annealing on the characteristics of HPHT diamonds with high nitrogen content［J］. Optical Materials， 2023， 137： 113538. DOI URL
[14]	WANG J Z， LI S S， HU M H， et al. C₃H₆N₆ doping effect of synthetic diamond under high pressure and high temperature［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2020， 87： 105150. DOI URL
[15]	GHAFARI C N， PERSHIN A， GALI Á. Sulfur in diamond and its effect on the creation of nitrogen-vacancy defect from ab initio simulations［J］. Physical Review Research， 2025， 7： 013278.
[16]	CHEN N， MA H A， CHEN L X， et al. Effects of S on the synthesis of type Ⅰb diamond under high pressure and high temperature［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2018， 71： 141-146. DOI URL
[17]	HU M H， BI N， LI S S， et al. Studies on synthesis and growth mechanism of high quality sheet cubic diamond crystals under high pressure and high temperature conditions［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2015， 48： 61-64. DOI URL
[18]	马红安，贾晓鹏. 硫协同掺杂金刚石单晶的合成［J］. 超硬材料工程， 2024， 36（2）： 1-6.
	MA H A， JIA X P. Synthesis of sulfur-doped diamond single crystals［J］. Superhard Material Engineering， 2024， 36（2）： 1-6 （in Chinese）.
[19]	WANG J K， LI S S， CUI J L， et al. N-type large single crystal diamond with S doping and B-S co-doping grown in FeNi-C system［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2019， 81： 100-110. DOI URL
[20]	李　勇，李尚升，佘彦超，等. 金刚石单晶高温高压合成中氮对硫的影响［J］. 人工晶体学报， 2017， 46（5）： 778-781.
	LI Y， LI S S， SHE Y C， et al. Effect of nitrogen on the incorporation of sulfur during the diamond growth under high pressure and high temperature［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2017， 46（5）： 778-781 （in Chinese）.
[21]	李　勇，王　应，李尚升，等. 硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究［J］. 物理学报， 2019， 68（9）： 098101.
	LI Y， WANG Y， LI S S， et al. Synthesis of diamond co-doped with B and S under high pressure and high temperature and electrical properties of the synthesized diamond［J］. Acta Physica Sinica， 2019， 68（9）： 098101 （in Chinese）.
[22]	王蒙召，许安涛，李尚升，等. FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性［J］. 人工晶体学报， 2021， 50（11）： 2060-2066.
	WANG M Z， XU A T， LI S S， et al. Growth characteristics of typeⅠb diamonds in FeNi， NiMnCo and their composite catalysts［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2021， 50（11）： 2060-2066 （in Chinese）.
[23]	ASHFOLD M N R， GOSS J P， GREEN B L， et al. Nitrogen in diamond［J］. Chemical Reviews， 2020， 120（12）： 5745-5794. DOI PMID
[24]	LIANG Z Z， JIA X， MA H A， et al. Synthesis of HPHT diamond containing high concentrations of nitrogen impurities using NaN₃ as dopant in metal-carbon system［J］. Diamond and Related Materials， 2005， 14（11/12）： 1932-1935. DOI URL
[25]	李　勇，廖江河，王　应，等. 硫脲掺杂金刚石的高温高压合成及FT-IR光谱研究［J］. 人工晶体学报， 2020， 49（7）： 1176-1179+1207.
	LI Y， LIAO J H， WANG Y， et al. Synthesis of diamond crystal with CH₄N₂S additive at HPHT conditions and the study of FT-IR spectra［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2020， 49（7）： 1176-1179+1207 （in Chinese）.
[26]	LI B W， WANG Z Q， WANG Z W， et al. Effect of nitrogen on the electrical properties and growth mechanism of phosphorus-doped diamonds［J］. Diamond and Related Materials， 2024， 149： 111604. DOI URL
[27]	FANG S， CAI Z H， WANG Y K， et al. Growth and characterization of diamond single crystals grown in the Fe-S-C system by the temperature gradient method［J］. CrystEngComm， 2021， 23（10）： 2063-2070. DOI URL
[28]	CATLEDGE S A， VOHRA Y K， LADI R， et al. Micro-Raman stress investigations and X-ray diffraction analysis of polycrystalline diamond （PCD） tools［J］. Diamond and Related Materials， 1996， 5（10）： 1159-1165. DOI URL
[29]	韩　飞，李尚升，朱丽飞，等. 激光拉曼光谱法在金刚石研究中的应用［J］. 人工晶体学报， 2018， 47（5）： 1060-1065.
	HAN F， LI S S， ZHU L F， et al. Application of laser Raman spectroscopy method in research of diamond［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2018， 47（5）： 1060-1065 （in Chinese）.
[30]	GONG C S， LI S S， ZHANG H R， et al. Study on synthesis and electrical properties of slab shape diamond crystals in FeNiMnCo-C-P system under HPHT［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2017， 66： 116-121. DOI URL
[31]	吴晓磊，徐　帅，赵延军，等. CVD单晶金刚石［NV］和［SiV］缺陷的抑制与消除［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2020， 40（5）： 42-44.
	WU X L， XU S， ZHAO Y J， et al. Suppression and elimination of ［NV］ and ［SiV］ defects in CVD single crystal diamond［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2020， 40（5）： 42-44 （in Chinese）.
[32]	张　磊，牟宏进，赵　灿，等. 低能高电荷态重离子辐照金刚石制备氮空位色心研究［J］. 原子核物理评论， 2025， 42（1）： 142-148.
	ZHANG L， MOU H J， ZHAO C， et al. Production of nitrogen-vacancy color centers in diamond induced by low energy highly charged heavy ion［J］. Nuclear Physics Review， 2025， 42（1）： 142-148 （in Chinese）.
[33]	ZHAO H Y， LI B W， WANG Z W， et al. Effect of nitrogen-hydrogen co-doping on diamond growth［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2023， 117： 106410. DOI URL

C₃H₆N₆-NiS₂添加剂体系N-S共掺杂金刚石晶体的表征与NV色心调控

Characterization and NV Color Center Adjustment of N-S Co-Doped Diamond Crystals in C₃H₆N₆-NiS₂ Additive System

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 33

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	孙丛珊, 胡继超, 董林鹏, 彭博, 苏汉. 沟槽终端Ga₂O₃/金刚石异质结二极管电学特性仿真研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(8): 1266-1273.
[2]	杨振清, 王森, 刘畅, 冯子涵, 邵长金, 林春丹. 全无机钙钛矿掺杂调控的光生载流子动力学研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(8): 1282-1289.
[3]	居一方, 夏佳琪, 张虹, 张书隆, 杭寅. 彩色人工金刚石研究现状及应用前景[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(6): 817-829.
[4]	张虹, 夏佳琪, 居一方, 张书隆, 杭寅. MPCVD金刚石的应用研究现状及展望[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 653-670.
[5]	张紫铜, 黄雪婷, 邹洋, 戴媛静. 高性能光伏硅片切割液的复配设计与协同机理研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 736-745.
[6]	张冷, 黄佳健, 申辉, 吴孔平. 硒化锑空穴迁移率的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(4): 627-633.
[7]	任国钊, 陈良贤, 安康, 刘宇晨, 解承东, 黄珂, 胡耀彬, 刘金龙, 魏俊俊, 李成明. 915 MHz微波等离子体化学气相沉积装置及其金刚石膜沉积研究进展[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(4): 546-565.
[8]	曹聪, 刘江高, 折伟林, 范叶霞, 马启司, 李振兴. 直径150 mm碲锌镉晶体生长温场控制研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 359-367.
[9]	游志鹏, 任泽阳, 张金风, 郝跃, 张进成. 金刚石n型掺杂研究进展与展望[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 340-348.
[10]	胡愈硕, 杨国健, 曹光宇, 刘赐恩, 张星, 龙浩, 徐翔宇, 张洪良. 高迁移率的硼掺杂单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积生长及电学性质研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1566-1573.
[11]	王斌, 王晓莉, 侯越云, 刘娇, 刘珊. 紫外氟化钙晶体的生长技术[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1369-1378.
[12]	朱雨革, 程栩逸, 高湉. 高压调控锰酸盐晶体磁热效应的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1379-1387.
[13]	梁礼峰, 郁鑫鑫, 李忠辉, 刘金龙, 李成明, 王鑫华, 魏俊俊. AlN介质层对GaN表面生长金刚石钝化膜的影响研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1417-1425.
[14]	李翔, 陈根, 沈洁, 祝铭辉. 衬底类型对生长多晶金刚石膜应力和结晶度影响研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 986-996.
[15]	刘晓晨, 姜龙, 张新, 葛新岗, 李义锋, 安晓明, 郭辉, 孙振路, 张利辉. 不同取向单晶金刚石制备及氢化处理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(11): 1907-1915.