炭化ケイ素 (SiC) は、量子情報技術の分野で注目されている研究材料です。 たとえば、SiC の欠陥空孔（シリコン空孔と隣接する炭素空孔で構成され、以下 VV と呼びます）には、三重基底状態や成熟した主材料研究技術の利点など、ダイヤモンドの NV センターの多くの利点があります。 材料欠陥の位置は、原理的には特定の表面または界面に存在する可能性があり、欠陥の存在はセンシング用途にとって特に重要です。 他のシステムとの統合という点では、スピン欠陥とフォトニックキャビティの間の接続は、光子と光学的にアドレス指定可能なスピン欠陥の間の相互作用の効果的な手段として提案されており、これは量子通信アプリケーションの重要な機能です。 たとえば、立方晶ポリタイプ炭化ケイ素 (3C SiC) は、高品質係数を備えたフォトニックキャビティを構築し、材料内に VV 欠陥を組み込むために使用されています。 ナノ構造と材料の効果的な統合を達成するための前提条件は、表面と界面近くのスピン欠陥を研究して理解することです。

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研究者らは、第一原理計算を使用して 3C SiC の表面近くの欠陥空孔の物理的特性を調査し、さまざまな再構成と終端を備えたリッチシリコン (001) 表面を検討しました。 SiC (2×1) の表面付近: H、VV は、バルク欠陥と比較して特性の変化が少ない、安定で弾性のあるスピン欠陥です。 さらに、3C SiCにおけるスピン欠陥（VSiVC）と表面再構築および-H、-OH、-Fおよび酸素基の終端との機能的関係に関する研究結果は、3C SiCが量子応用材料として有望であることを示しています。

図 1 シリコンを多く含む 3C SiC (001) 表面の原子構造。 (2×1):H モデル 側面図に示すように、欠陥の電子構造は表面への近接度の関数として研究されます。L2 は固定層に最も近い位置、L3 は固定層の中央にあります。 L6 は表面に最も近い位置です。

図 2 PBE および HSE 汎関数を使用した、表面シリコンリッチ 3C SiC (001) 面の L3 における中性二重空孔の電子構造の計算。 結果は、PBE および HSE の理論レベルでは、地上端末のすべての機能傾向が同じであることを示しています。 したがって、再構成された (2×1) 表面上の水素原子の飽和により、最も有望な表面構造が得られます。

図 3 PBE 官能基下のバルク 3C-SiC VV と表面付近の VV 間のエネルギー差 (eV)

図4 (2×1) (001) リッチシリコンカーバイド (2×1) リッチシリコン表面の表面電子親和力 (EA) の計算

表面によってもたらされる対称性の破れを考慮すると、それがゼロ フィールド分割 (ZFS) テンソル成分値に及ぼす影響を理解することが重要です。 表 2 では、この記事では、(2×1) モデル (L3) の中央に位置する 4 つの異なる表面端末について計算された VV の ZFS コンポーネントを報告します。 ゼロ磁場分割の E 成分は、表面に対する欠陥の位置に対して大きな感度を持っており、このパラメータが表面への欠陥の近接性の指標として使用できることを示しています。 最後に、体積および表面のデバイ ウォーラー係数 (DWF) に関する定性的研究により、表面 DWF の減少は SiC サンプルのひずみ工学によって緩和できることが示されています。

図 5 異なる表面終端を備えた 3C SiC バルクおよび表面に近い中性 VV 基底状態のゼロ場分割 (ZFS) テンソルの計算コンポーネント D および E

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