金刚石是集最高硬度、超宽禁带、最高热导率等优异性能于一体的典型超硬多功能材料, 天然金刚石储量低且价格昂贵, 其中彩色天然金刚石在自然界中产储量极其稀少且致色机制较为复杂。高温高压法是制备金刚石的有效手段, 然而调控金刚石颜色获得可控的彩色金刚石, 仍面临极大挑战。本文通过对粉色、绿色天然和高温高压温度梯度法制备的金刚石进行一系列拉曼、荧光、红外和可见光吸收测试, 详细地研究其品质、缺陷随温度变化及致色原因, 发现彩色金刚石致色与电中性的N2V缺陷(H3)、剪切应力、塑性形变和NV0/NV-色心等因素相关。通过各种手段获得不同颜色的金刚石不仅是为了其欣赏及收藏价值, 其颜色的调控也有助于人们对金刚石形成机制的进一步了解, 为培育彩色金刚石提供新的参考。

金刚石中的氮-空位（NV）色心在室温下具有稳定的荧光发射，超长的电子自旋相干时间以及许多优良的光学性质，可以对电磁场，温度进行高灵敏度表征。光纤传感技术近几年来发展迅速，在电力、化工、交通、医疗、环保及**等领域得到广泛应用。光纤体系由于其集成度、实用性高以及操作便捷性，且具有优良的传输光能力，损耗较低，可与NV色心结合，形成一种高集成化、高灵敏度的便捷性传感系统，未来将会作为传感器件投入到许多领域的应用中，例如对生物细胞、材料温度、磁场等物理量的高灵敏度测量。本综述主要介绍NV色心体系的光纤量子传感技术的工作原理、实现方式以及在相关领域的应用。

氟化钙晶体的抗γ射线辐照性能是其在太空应用的关键性能之一。本文报道了痕量La杂质对氟化钙晶体γ辐照诱导色心的影响。主要采用吸收光谱、电子顺磁共振(EPR)等手段对辐照前后存在不同痕量La杂质的氟化钙晶体进行研究。结果表明, 辐照后的氟化钙晶体产生多个色心吸收带, 且吸收带的吸收系数随辐照剂量和La杂质浓度增加而增加。EPR证实这种吸收带的形成是由氟化钙晶体中F心引起的, 而La3+的存在影响氟化钙晶体F心的稳定性和光谱位置, 本文提出了La3+与氟化钙晶体中F心存在的可能机制。

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术, 通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。 由于金刚石稳定性高, 抗干扰能力强, 可制成不同尺寸, NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径, 具有良好的应用前景。 实验测量中, 首先使用激光对色心进行电子自旋极化, 然后使用微波对电子自旋进行调控, 进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱, 对谱线进行拟合分析获得D值。 激光功率波动是重要的实验噪声来源之一, 为了获得较高的极化率, 需要足够的激光功率, 然而较大激光功率下, 光功率波动会影响电子自旋极化率, 从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性, 增加光谱的噪声, 最终增大数据测量的误差。 在常规测量中, 不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。 为降低激光功率波动产生的误差, 提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法, 可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值, 对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化, 从而输出归一化光谱。 在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验, 考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化, 确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。 在不同的激光功率下, 分别采用直接拟合法、 数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。 数据分析结果表明, 相较于直接拟合法和数学归一化法, 脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%, 得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。 该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径, 提高D值测量分辨力, 为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

采用高能电子辐照结合真空退火，在金刚石内部形成氮空位色心。对比研究了辐照与退火前后金刚石宏观颜色变化及内部缺陷转变，讨论了不同辐照剂量和真空退火温度对氮空位产率的影响规律。结果显示，氮空位色心浓度随着辐照剂量的增加呈现先升高后降低的趋势，这是由于辐照剂量越高则空位更容易形成空位簇，空位簇在退火过程中不能形成氮空位色心。氮空位色心浓度随退火温度的升高逐渐增加，在800~900 ℃区间达到饱和，当温度继续升高时，氮空位色心浓度反而下降，这源于辐照过程产生的间隙原子在高温下与氮空位的相互作用。

本文利用低温拉曼与光致发光光谱对纯净金刚石晶片的结晶质量、晶体应力分布进行表征分析，并结合电子辐照和快速退火对晶片的杂质缺陷结构开展研究。通过拉曼光谱对金刚石特征峰的表征分析发现，由于金刚石生长机制以及晶片的切割、抛光等因素影响，晶片的边缘与表面应力分布较高。光致发光光谱中的零声子线具有明显的温度依赖性，根据Jahn-Teller效应与电子-声子耦合理论阐明了测试温度变化引起中性单空位缺陷零声子线分裂与红移的机理。对晶片做电子辐照与退火调控处理后，晶片中氮-空位(NV)缺陷显著增多，表明在纯净晶片中氮主要以替代位氮杂质的形式存在。

化学气相沉积(CVD)技术的发展使得金刚石优异的综合性能得以充分发挥，在诸多领域获得应用，并有可能实现跨越式的发展。色心使得金刚石量子加速器初步显示了巨大可行性，包括紫外激光写入窗口等诸多应用场景将金刚石的光、电、热和力学综合优势发挥到了极致，超宽禁带金刚石半导体应用将很快实现，金刚石的散热应用也在不断拓展。本文在总结CVD金刚石的制备方法和性能特点的基础上，根据金刚石的本征特点和应用领域，将其分为量子级、电子级、光学级、热学级和力学级五类，对各类金刚石的研究和应用状况进行了详细阐述，进一步明晰CVD金刚石目前的发展状态，对研判其未来发展趋势有重要意义。

氮空位(NV)色心是一种具备优良光学性能和自旋特性的金刚石发光缺陷, 由于其在超分辨成像技术、量子测量、量子信息等领域的巨大应用前景, 近年来吸引了许多科研工作者的关注。目前, 人们已经通过多种方法制备浓度和空间位置可控的高品质NV色心, 并推动了其在量子传感和量子信息等领域的应用。NV色心的电子自旋哈密顿量与多种物理量有关, 因此能够通过读取NV色心的电子自旋态实现量子精密测量; 此外, NV色心作为一种电子自旋相干时间长、性能稳定的固态自旋量子体系, 可以实现安全高效的量子信息处理。近年来, 量子测量的灵敏度随着NV色心制备工艺的进步而快速提升。介绍了NV色心的结构和基本特性, 并对其制备和应用进行了总结和展望。

本文提出了一种基于电子自旋共振效应的位移振动检测方法, 以金刚石氮空位色心为敏感单元, 利用其对磁场强度的高敏感机理来进行。我们设计并搭建了振动发生装置和磁场检测系统。其中, 该系统由荧光聚焦系统、载流磁线圈和直尺组成。荧光聚焦系统负责高效地激发和收集荧光, 并确定电子自旋效应的分裂程度。载流线圈负责产生一个高线性的梯度磁场, 标尺作为振动源, 产生振动信号, 驱动载流线圈振动。然后, 通过严格的静态与动态实验分析, 当磁线圈携带0.1 A的电流时, 该位移灵敏度为25.11 nmHz12, 理论位移灵敏度约为2.106 nmHz12, 最小磁灵敏度极限为0.198 nTHz12, 振动信号的频率为6.31 Hz, 振幅为0.744 mm。该实验验证了检测方法的可行性。这为高精度位移振动检测方法提供了新的途径。