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金刚石氮-空位(NV)缺陷中心具有室温可测单个电子自旋，并对局域温度、磁场、应力等多种物理量极为敏感。为了利用NV中心作为量子计算研究的载体，同时提高信息采集效率，实现对物理量的分布式传感探测，本论文对金刚石微纳结构的加工与NV中心特性进行了系统研究。 由于材料的高硬度与弱导电性，金刚石的微纳加工一直是个难题。半球结构的固态浸没透镜(SIL)与纳米柱结构是非常有效的光子收集增强结构，目前对其加工制备与特性还没有系统的研究。采用聚焦离子束(FIB)加工SIL结构，每次仅能得到单个器件，无法满足可扩展应用需求。而金刚石纳米柱结构内NV中心的光学特性对结构尺寸的依赖关系尚待明确，柱内NV中心集群的电子自旋相干特性也有待进一步研究。 本论文首先在FIB系统中，通过环心错开圆环叠加与位图叠加两种方案制备出SIL结构，并对其进行了光学表征。进一步，采用电子束曝光(EBL)与反应离子刻蚀(RIE)结合的方案成功制备了大面积金刚石半球透镜阵列，为SIL的进一步应用奠定了基础。 在上述FIB对金刚石进行加工的过程中，金刚石表面的损伤与污染是不可避免的。我们借助拉曼散射光谱对加工后的结构表面进行了分析，并采用湿法煮蚀与干法刻蚀方法进行了表面清洁处理，最终得到了光学洁净的器件表面。 本文在优化的刻蚀条件下，成功制备了不同直径、陡直性良好的单晶及多晶金刚石纳米柱结构，分别对单晶金刚石纳米柱中单NV中心的光学特性及NV集群的电子自旋相干特性进行了研究，观察到NV集群自旋退相干时间随温度升高而呈非线性减小的变化现象，且纳米柱直径越小，退相干时间减小速度越快。通过对多晶金刚石纳米柱进行光致发光(PL)谱表征，本文探讨了多晶金刚石材料应用于NV中心研究的可能性。