Clustering of hydrogen, phosphorus, and vacancies in diamond: A density functional theory analysis

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作者
Kamil Czelej,Marcin Roland Zemła,Paulina Kamińska,Piotr Śpiewak,Krzysztof J. Kurzydłowski
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:98 (7) 被引量:27
标识
DOI:10.1103/physrevb.98.075208
摘要

Phosphorus-doped $n$-type diamond is currently one of the most promising wide-band-gap materials for next-generation high-power electronics and optoelectronics. Artificial diamond growth methods such as chemical vapor deposition involve hydrogen-containing precursors; therefore, the hydrogen atoms can be simultaneously introduced into the diamond lattice as a contamination and form complexes with other defects. In this work, we used the spin-polarized, hybrid density functional theory method to investigate the electronic structure, stability, and magnetic and optical properties of phosphorus, vacancy, and hydrogen clusters in diamond. Our results indicate a thermodynamic driving force for the formation of previously unidentified phosphorus-vacancy-hydrogen complexes that can be electrically, magnetically, or optically active centers. We found an unusual extremely large hyperfine coupling with the $^{31}\mathrm{P}$ nuclei ($A>2$ GHz) for some of the investigated defects that requires further experimental verification. Finally, we demonstrate that the ${\text{PV}}_{2}{\text{H}}^{0}$ complex has two metastable triplets between the ground- and excited-state singlets, and it may exhibit a highly selective spin decay channel to a ground state, which makes the defect a promising candidate for realizing long-living solid-state quantum memory. These results provide deep insight into the donor compensation effect associated with vacancy-related clusters, and they may be useful in future identification of P-related defects suitable for quantum information processing applications.
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