論文の概要: Determination of the Fermi Energy of Diamond using Photoluminescence Spectral Analysis
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.25097v1
- Date: Tue, 28 Apr 2026 01:04:05 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-29 16:49:17.647557
- Title: Determination of the Fermi Energy of Diamond using Photoluminescence Spectral Analysis
- Title（参考訳）: 発光分光分析によるダイヤモンドのフェルミエネルギーの定量
- Authors: Yifan Song, Sina Ilkhani, Leah Webb, Helen Highland, Shunki Nakamura, Stephen B. Cronin, Susumu Takahashi,
- Abstract要約: 半導体では、フェルミエネルギー準位はドナー濃度とアクセプター濃度によって決定される。
本稿では,発光測定に基づくダイヤモンドのフェルミエネルギー決定法について報告する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.527173925893145
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Electronic band structures and the Fermi energy provide essential information for understanding the electronic properties of solids. In semiconductors, the Fermi energy level is determined by the donor and acceptor concentrations. For diamond, the relationship between the Fermi energy level and the donor-acceptor concentrations is highly nonlinear; therefore, experimental determination of the Fermi energy level is important. Here, we report a method to determine the Fermi energy of diamond based on photoluminescence (PL) measurement. The density-functional-theory (DFT) study by Deák et al.~\cite{deak2014formation} showed the relationship between the Fermi energy and the formation energies of nitrogen-vacancy centers in the negatively charged (NV-) and neutrally charged (NV0) charge states. In the present method, we measure the relative populations of the NV- and NV0 centers from PL spectral analysis and, using these populations and the DFT result, determine the Fermi energy of the diamond samples. Moreover, we show the application of the method to study the spin coherence and the stability against the charge state conversion of the NV centers on several diamond samples. We also extend the method for the Fermi energy determination using the silicon-vacancy (SiV) center in diamond. The PL-based method is advantageous for determining the Fermi energy with high spatial and fast time resolutions, even in extreme environments, and can be extended to determine various wide band gap semiconductors.
- Abstract（参考訳）: 電子バンド構造とフェルミエネルギーは、固体の電子的性質を理解するための重要な情報を提供する。
半導体では、フェルミエネルギー準位はドナー濃度とアクセプター濃度によって決定される。
ダイヤモンドの場合、フェルミエネルギー準位とドナー・アクセプター濃度の関係は非常に非線形であり、フェルミエネルギー準位を実験的に決定することが重要である。
本稿では,光ルミネッセンス(PL)測定に基づくダイヤモンドのフェルミエネルギー決定法について報告する。
Deák et al ~\cite{deak2014formation} による密度汎関数理論 (DFT) の研究は、負電荷 (NV-) と中電荷 (NV0) 電荷状態における窒素空孔中心の形成エネルギーとフェルミエネルギーの関係を示した。
本手法では, PLスペクトル分析からNV-およびNV0中心の相対集団を測定し, これらの集団とDFT結果を用いて, ダイヤモンド試料のフェルミエネルギーを決定する。
さらに,いくつかのダイヤモンド試料上でのNV中心の電荷状態変換に対するスピンコヒーレンスと安定性について検討した。
また, ダイヤモンド中のシリコン空孔(SiV)中心を用いたフェルミエネルギー決定法を拡張した。
PL法は、極端環境でも高い空間分解能と高速時間分解能を持つフェルミエネルギーを決定するのに有利であり、様々な広帯域ギャップ半導体を決定するために拡張することができる。
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