Universiẗat, Diss., 2003--Regensburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2002.

Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation ist eine Monografie über die Entwicklung eines kostengünstigen, marktfähigen Magnetometers, welches als magnetisch sensitive Elemente Farbzentren („NV-Zentren“) in Diamantkristallen verwendet. Die Besonderheit dieser NV-Zentren ist, dass sie optisch angeregt und über ihre Photolumineszenzantwort ausgelesen werden können. Die Intensität der Photolumineszenz ist dabei das Maß für die Feldstärke eines äußeren Magnetfelds. Der besondere Reiz dieser Anwendung liegt in der Entwicklung eines sehr kompakten Messkopfs in der Form einer Strahler-Empfängereinheit, welche einen Diamantkristall mit einem Ensemble aus NV-Zentren beinhaltet. Die im Sensorkopf integrierte LED regt die Photolumineszenzantwort der NV-Zentren an, welche mit Hilfe der integrierten Photodioden ausgelesen wird. Ein zwischengeschaltetes Filter unterdrückt das Anregungslicht der LED. Diamant besitzt als Schmuckelement ungebrochen große Attraktivität und wird mit technisch aufwändigen Mitteln und Energieaufwand synthetisiert, sodass hohe Preise für optisch und elektronisch reine Diamantkristalle üblich sind. Einerseits die hohen Preise und andererseits die Unsicherheiten hinsichtlich der Qualitätsmerkmale der Diamantmaterialien können als Markteintrittsbarrieren für diamantbasierte Sensorprodukte gewertet werden. Daher wurden die durchgeführten Arbeiten in zwei technisch verknüpfte wissenschaftliche Untersuchungsfelder unterteilt, die beide die Skalierfähigkeit vereint. Im ersten Teil wurden erstmals Diamantproben aus dem Massenmarkt des kostengünstigen Diamantschleifpulvers auf die Eignung als magnetisch sensitives Element hin untersucht. Hierzu wurden in stickstoffhaltigen HPHT-Diamantschleifkörnern durch Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen hochkonzentrierte Ensembles der NV-Zentren generiert. Die Charakterisierung erfolgte vor dem Hintergrund der Nutzung in einem Magnetometer hinsichtlich der lateralen Verteilung im Kristall und der Sensitivität der NV-Ensembles gegenüber äußeren Magnetfeldern. In diesem Zusammenhang wurde folgender Zielkonflikt deutlich: Auf der einen Seite sind für die Optimierung der Sensitivität gegenüber äußeren Magnetfeldern geringe NV-Dichten im Bereich ppb bis ppm in einem ansonsten störungsfreien Diamantvolumen notwendig, die zu hohen Dekohärenzzeiten führen. Auf der anderen Seite sind für die effiziente Detektion des Photolumineszenzlichts und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses für Sensorapplikationen hohe NV-Dichten von Vorteil. Das Pulver wurde durch Dritte mittels Laserschneiden und Polieren in kleine ⟨100⟩- und ⟨111⟩-orientierte Diamantplättchen präpariert und der intrinsische Stickstoff mittels Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen von 10 MeV verschiedener Dosen und gleichzeitigem Annealing bei 900 °C zu großen Teilen in NV-Zentren umgewandelt. Es wurden systematisch verschiedene Untersuchungsmethoden angewendet, mit dem Ziel, die Diamantplättchen auf die quantensensorischen Eigenschaften hin zu untersuchen. Die durchgeführten Untersuchungen lassen folgende, wesentliche Schlüsse zu: # Die Gesamt-Stickstoffkonzentration [NS] der untersuchten Plättchen schwankt stark; auf einem Plättchen wurden Konzentrationen zwischen 70 ppm und 650 ppm bestimmt. # Die Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen ist eine effiziente und hochwirksame Methode zur Erzeugung von NV-Zentren in Ib-HPHT-Diamantplättchen, wobei die Dosis der Elektronenbestrahlung bei ≥ 1.0E18/cm² liegen sollte, um eine hohe NV-Dichte zu erzielen. Die NV-Dichte kann mit 0.6×[NS] abgeschätzt werden. # Photolumineszenzintensitäten schwanken auf den Proben stark; es bildet sich deutlich die Kristallstruktur in Form der Wachstumszonen in der Photolumineszenzintensität und dem Verhältnis zwischen den beiden Ladungszuständen NV— und NV0 ab. Auch muss von internem mechanischen Stress in der Größenordnung 0.1 GPa ausgegangen werden. # Die ODMR-Messungen bei Nullfeld sowie bei angelegtem Magnetfeld zeigten Nullfeldaufspaltungen im Bereich von (4-10) MHz. Bei den ⟨111⟩-orientierten Proben hat der ⟨113⟩-Sektor in Zusammenhang mit den Wachstumssektoren eine tendenziell geringere Aufspaltung.Die Messungen der für die Magnetfeldsensorik wichtigen Größe der Spindekohärenzzeit T2*-offenbarte Werte im Bereich einiger 100 ns, welche hauptsächlich durch die hohe Konzentration von [NS] limitiert ist. Im zweiten Teil wurde die oben beschriebene Strahler-Empfängerplattform designt, hergestellt und charakterisiert. Als technische Basis wurde ein etabliertes MEMS-Siliziumbauteil verwendet, welches um spezifische Komponenten für die Magnetfeldsensorik erweitert wurde. Hierfür bedurfte es der Adaption auf spezifische Eigenschaften der NV-Zentren. Die etablierte Siliziumtechnologie legt so den zweiten Grundstein für die Herstellung eines skalierfähigen und kosteneffizienten Magnetometers. Das Design profitiert davon, dass das Siliziumelement mit üblichen mikrosystemtechnischen Verfahren in einem Waferprozess in hoher Stückzahl hergestellt und als Anregungslichtquelle eine marktübliche LED verwendet werden kann. Auch kann das magnetfeldsensitive Diamantplättchen bis 2 mm an die Magnetfeldquelle herangeführt werden. Aus der Photolumineszenzintensität bzw. aus der Änderung dieser Intensität kann auf die anliegende Feldstärke eines äußeren Magnetfelds zurückgerechnet werden. Beide Komponenten, NV-haltiger Diamant sowie Strahler-Empfänger-Plattform wurden zu einem Magnetfeldsensorkopf zusammengefügt, der auf dem Ansatz der mikrowellenfreien Magnetometrie basiert. So können vergleichsweise einfach zu betreibende technische Sensoren realisiert werden, allerdings mit Einschränkungen bei der erreichbaren Sensitivität. # Die optischen Simulationen des Bauteils zeigen, dass von einer Anregungslichtquelle unter realistischen Annahmen maximal 3 % der Lichtleistung am Detektor ankommen. Eine wirksame Unterdrückung des Anregungslichts kann mit einer Filterglasdicke von 2 mm erreicht werden. # Es wurde eine deutliche Abhängigkeit des Photolumineszenzsignals von äußeren Magnetfeldern bis über 70 mT demonstriert: Im Fall der dc-Anregung des Magnetfelds wurde eine Empfindlichkeit von 1 %/mT erreicht. # Durch einen gepulsten Betrieb und eine geringe zusätzliche Modulation des Anregungsmagnetfelds im Bereich des Nullfelds werden zusätzliche Störeinflussgrößen ausgeschlossen. Lock-In-Technologie ermöglicht Magnetfelder im Bereich weniger Mikrotesla im Bereich des Erdmagnetfelds zu unterschieden und damit ein deutlicher Gewinn in der Sensitivität verzeichnet werden. Der Magnetfeldsensor erreicht eine Sensitivität von 4.8 pT/μT bei einer Modulation mit 120 Hz. Der wesentliche wissenschaftliche Zugewinn durch diese Arbeit liegt in der Entwicklung und dem Test eines diamantbasierten Magnetfeldsensors, welcher sich durch eine besonders kompakte Bauweise auszeichnet, indem Lichtanregung, Anregungslichttrennung und Photolumineszenzdetektion in einem Sensorkopf mit einem Volumen von nur 0.8 cm³ realisiert wurden. Es sind zu diesem Zeitpunkt keine kompakteren realisierten Aufbauten bekannt. Weiterhin wurden die verwendeten Diamantmaterialien aus der Quelle eines Massenmarkts modifiziert und charakterisiert und für die Nutzung in einem Magnetometer bewertet. Aus den Ergebnissen wurden auch die notwendigen Optimierungsansätze deutlich. Zu denen zählen beispielsweise das zu verwendende Diamantmaterial mit optimierter NV-Dichte und geringeren Defektanteilen, eine zu stabilisierende Lichtquelle sowie die Schaffung der Möglichkeit die Lichtquelle zu monitoren. Betrachtet man beide Teile dieser Arbeit vor dem Aspekt der Skalierfähigkeit. Vor dem Hintergrund der Kosten und damit perspektivisch der Wirtschaftlichkeit, sind final die Kosten für die Komponenten und letztlich der finale Preis von Interesse. Vom Hersteller der hier untersuchten Diamantplättchen, Diamond Materials GmbH, gibt es die Aussage zu einem möglichen Verkaufspreis von etwa 10 € pro ⟨100⟩-orientiertem Diamantplättchen mit einer Bestrahlungsdosis von 1.0E18 /cm². Für einen vollständigen Sensorkopf könnte dementsprechend der Verkaufspreis < 100 € (ohne Ansteuerung und Signalauswertung) liegen. In Summe wurde erstmals ein Ansatz für ein optisches Magnetometer vorgestellt, dessen kosteneffiziente Komponenten technisch ohne große Ansprüche in großen Stückzahlen reproduzierbar herstellbar sind.:1. Einleitung 2. NV-Zentren in Diamant und deren Nutzung in Magnetfeldsensoren 2.1 Diamantstruktur und -synthese 2.1.1 HPHT-Herstellungsverfahren 2.1.2 Herstellung und Aktivierung von NV-Zentren 2.2 Physikalische Eigenschaften von NV-Zentren in Diamant 2.2.1 Elektronische Struktur 2.2.2 Ladungszustand 2.2.3 Einstellung des Verhältnisses NV0 zu NV- 2.2.4 Optische Eigenschaften 2.3 Diamantplättchen aus HPHT-Einkristallen 2.4 Zusammenfassung von Kapitel 2 3. Methoden zur Charakterisierung von NV-Zentren in Diamant 3.1 Optische Mikroskopie 3.2 Bestimmung der Stickstoffkonzentration mit Sekundärionenmassenspektrometrie 3.3 Kombinierte Raman- und Photolumineszenzspektroskopie 3.3.1 Dekomposition von NV0 und NV— im PL-Spektrum 3.3.2 Optisch detektierte Magnetfeldresonanz 3.4 Bestimmung Dekohärenzzeit T2* 4. Diamantproben 4.1 HPHT-Diamantplättchen 4.2 Charakterisierung I im Rohzustand 4.2.1 Optische Untersuchungen 4.2.2 Untersuchungen der Oberflächenrauheiten 4.2.3 Raman- und Photolumineszenzcharakterisierungen 4.2.4 Diskussion der Ergebnisse 4.3 Elektronenbestrahlung 4.4 Charakterisierung II nach Bestrahlung 4.4.1 Optische Mikroskopie 4.4.2 Kombinierte Raman- und Photolumineszenzmessungen 4.4.3 Bestimmung der Stickstoffkonzentration 4.4.4 Ladungszustand der NV-Zentren 4.4.5 Diskussion der PL-Signale und der Ladungsverhältnisse nach Elektronenbestrahlung 4.4.6 cw-ODMR-Messungen bei Nullfeld 4.4.7 cw-ODMR-Messungen mit B≠0 4.4.8 Gepulste PL-Messungen zur Bestimmung T2* 4.5 Nachträgliche LPHT-Behandlung der Diamantplättchen und Charakterisierung III 4.5.1 Prozessierung 4.5.2 Optische Mikroskopie 4.5.3 Photolumineszenzcharakterisierung 4.6 Diskussion und Zusammenfassung Kapitel 4 5. Design und Simulation eines optischen Magnetometers 5.1 Optische Magnetometer basierend auf NV-Zentren: Anforderungen und Begrenzungen 5.2 Literaturstudie zu Magnetfeldsensorsystemen basierend auf NV-Zentren in Diamant 5.3 Mikrowellenfreie Magnetfeldsensorik 5.4 Design eines ultrakompakten Sensorkopfs 5.5 Optische Simulation mittels Raytracing 5.6 Zusammenfassung Kapitel 5 6. Herstellung eines auf NV-Zentren in Diamant basierenden Magnetometers 6.1 Mikrosystemtechnische Herstellung 6.2 Charakterisierung des Sensors 6.2.1 Empfindlichkeit der Photodioden 6.2.2 Charakterisierung der LED 6.2.3 Effekt der Filterdicke und des Diamantelements 6.2.4 Variation der Anregungswellenlänge 6.3 Magnetfeldmessungen unter dc-Anregung bis 75 mT 6.4 Magnetfeldmessungen unter ac-Anregung im Bereich des Nullfelds 6.5 Zusammenfassung Kapitel 6 7. Zusammenfassung und Ausblick 8. Literaturverzeichnis 9. Eigene Veröffentlichungen 9.1 Veröffentlichungen mit Bezug zum Thema der Dissertation 9.2 Veröffentlichungen mit Bezug zu Anwendungen im Zusammenhang mit Diamant, siliziumbasierte Sensoranwendungen sowie Quantencomputing 10. Danksagung 11. Lebenslauf 12. Selbstständigkeitserklärung / This dissertation is a monograph on the development of a low-cost, marketable magnetometer that uses color centers ('NV centers') in diamond crystals as magnetically sensitive elements. The special feature of these NV centers is that they can be optically excited and read out via their photoluminescence response. The intensity of the photoluminescence is the measure of the field strength of an external magnetic field. The particular appeal of this application lies in the dessssssssssvelopment of a very compact measuring head in the form of a radiator-receiver unit, which contains a diamond crystal with an ensemble of NV centers. The LED integrated in the sensor head excites the photoluminescence response of the NV centers, which is read out with the aid of the integrated photodiodes. An intermediate filter suppresses the excitation light of the LED. The work carried out was therefore divided into two technically linked scientific fields of investigation, both of which combine scalability. On the one hand, diamond samples from the mass market of low-cost diamond grinding powder were analyzed for the first time with regard to their suitability as a magnetically sensitive element. For this purpose, highly concentrated ensembles of NV centers were generated in nitrogen-containing HPHT diamond abrasive grains by irradiation with high-energy electrons. The characterization was carried out against the background of the use in a magnetometer with regard to the lateral distribution in the crystal and the sensitivity of the NV ensembles to external magnetic fields. In this context, the following conflict of objectives became clear: On the one hand, low NV densities in the ppb to ppm range in an otherwise interference-free diamond volume are necessary to optimize the sensitivity to external magnetic fields, which leads to high decoherence times. On the other hand, high NV densities are advantageous for efficient detection of the photoluminescent light and for improving the signal-to-noise ratio for sensor applications. On the other hand, the emitter-receiver platform described above was developed using an established MEMS silicon component as the technical basis, which was expanded to include specific components for magnetic field sensor technology. This required adaptation to the specific properties of the NV centers. The established silicon technology thus lays the second foundation stone for the production of a cost-efficient magnetometer. All in all, an approach for a magnetometer based on NV centers was presented for the first time, whose cost-efficient components can be manufactured in large quantities without great technical demands.:1. Einleitung 2. NV-Zentren in Diamant und deren Nutzung in Magnetfeldsensoren 2.1 Diamantstruktur und -synthese 2.1.1 HPHT-Herstellungsverfahren 2.1.2 Herstellung und Aktivierung von NV-Zentren 2.2 Physikalische Eigenschaften von NV-Zentren in Diamant 2.2.1 Elektronische Struktur 2.2.2 Ladungszustand 2.2.3 Einstellung des Verhältnisses NV0 zu NV- 2.2.4 Optische Eigenschaften 2.3 Diamantplättchen aus HPHT-Einkristallen 2.4 Zusammenfassung von Kapitel 2 3. Methoden zur Charakterisierung von NV-Zentren in Diamant 3.1 Optische Mikroskopie 3.2 Bestimmung der Stickstoffkonzentration mit Sekundärionenmassenspektrometrie 3.3 Kombinierte Raman- und Photolumineszenzspektroskopie 3.3.1 Dekomposition von NV0 und NV— im PL-Spektrum 3.3.2 Optisch detektierte Magnetfeldresonanz 3.4 Bestimmung Dekohärenzzeit T2* 4. Diamantproben 4.1 HPHT-Diamantplättchen 4.2 Charakterisierung I im Rohzustand 4.2.1 Optische Untersuchungen 4.2.2 Untersuchungen der Oberflächenrauheiten 4.2.3 Raman- und Photolumineszenzcharakterisierungen 4.2.4 Diskussion der Ergebnisse 4.3 Elektronenbestrahlung 4.4 Charakterisierung II nach Bestrahlung 4.4.1 Optische Mikroskopie 4.4.2 Kombinierte Raman- und Photolumineszenzmessungen 4.4.3 Bestimmung der Stickstoffkonzentration 4.4.4 Ladungszustand der NV-Zentren 4.4.5 Diskussion der PL-Signale und der Ladungsverhältnisse nach Elektronenbestrahlung 4.4.6 cw-ODMR-Messungen bei Nullfeld 4.4.7 cw-ODMR-Messungen mit B≠0 4.4.8 Gepulste PL-Messungen zur Bestimmung T2* 4.5 Nachträgliche LPHT-Behandlung der Diamantplättchen und Charakterisierung III 4.5.1 Prozessierung 4.5.2 Optische Mikroskopie 4.5.3 Photolumineszenzcharakterisierung 4.6 Diskussion und Zusammenfassung Kapitel 4 5. Design und Simulation eines optischen Magnetometers 5.1 Optische Magnetometer basierend auf NV-Zentren: Anforderungen und Begrenzungen 5.2 Literaturstudie zu Magnetfeldsensorsystemen basierend auf NV-Zentren in Diamant 5.3 Mikrowellenfreie Magnetfeldsensorik 5.4 Design eines ultrakompakten Sensorkopfs 5.5 Optische Simulation mittels Raytracing 5.6 Zusammenfassung Kapitel 5 6. Herstellung eines auf NV-Zentren in Diamant basierenden Magnetometers 6.1 Mikrosystemtechnische Herstellung 6.2 Charakterisierung des Sensors 6.2.1 Empfindlichkeit der Photodioden 6.2.2 Charakterisierung der LED 6.2.3 Effekt der Filterdicke und des Diamantelements 6.2.4 Variation der Anregungswellenlänge 6.3 Magnetfeldmessungen unter dc-Anregung bis 75 mT 6.4 Magnetfeldmessungen unter ac-Anregung im Bereich des Nullfelds 6.5 Zusammenfassung Kapitel 6 7. Zusammenfassung und Ausblick 8. Literaturverzeichnis 9. Eigene Veröffentlichungen 9.1 Veröffentlichungen mit Bezug zum Thema der Dissertation 9.2 Veröffentlichungen mit Bezug zu Anwendungen im Zusammenhang mit Diamant, siliziumbasierte Sensoranwendungen sowie Quantencomputing 10. Danksagung 11. Lebenslauf 12. Selbstständigkeitserklärung

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente befassen sich mit zwei Aspekten des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (engl.: nitrogen-vacancy center, NV-Zentrum) in Diamant, einem der bekanntesten Quantenspin-Defekte und vielversprechendem Festkörpersystem für künftige Anwendungen in der Quantentechnologie, wie z. B. Quantensensorik und Quanteninformation im Nanomaßstab. Zum einen werden neue Mikrowellen-Raman-Spin-Manipulationsverfahren an dem NV-Elektronenspin untersucht, und zum anderen wird eine neuartige On-Chip-Plattform für Quantenanwendungen und die hybride Integration dieser Plattform mit einem einzelnen NV-Zentrum vorgestellt. Es wird über die kohärente Mikrowellen-Raman-Kontrolle an den Elektronenspin des NV-Zentrums berichtet, die den Dipol-verbotenen Übergang zwischen zwei Spin-Subniveaus im elektronischen Triplett-Grundzustand des NV-Zentrums direkt treiben kann. Folglich wurden die stimulierten Raman-Übergänge (engl.: stimulated Raman transitions, SRT) und die stimulierte adiabatische Raman-Passage (engl.: stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP) theoretisch und numerisch analysiert und erfolgreich an einem einzelnen NV-Zentrum experimentell verifiziert und umgesetzt. Weiterhin wird die deterministische Integration eines einzelnen NV-Zentrums mit einer photonischen Plattform behandelt. Diese extra für diesen Zweck entwickelte photonische Plattform besteht dabei ausschließlich aus thermisch auf einem Silizium Substrat gewachsenem Siliziumdioxid und zeichnet sich dabei durch ihre ultraniedrige Fluoreszenz aus. Experimentell wurde die Integration eines vorselektierten NV-Emitters mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt und die On-Chip-Anregung des Quantenemitters sowie die Kopplung von Einzelphotonen an die geführte Mode der integrierten Struktur nachgewiesen. Dieser Ansatz zeigt das Potenzial dieser Plattform als robuste nanoskalige Schnittstelle von photonischen On-Chip-Strukturen mit einzelnen Festkörper-Qubits. / This thesis revolves around the nitrogen-vacancy (NV) defect center in diamond, one of the best-known quantum spin defects and a promising solid-state system for future applications in quantum technology, such as nanoscale quantum sensing and quantum information. Since the manipulation of the NV center's electron spin is crucial for many applications, the development of new or the adaption of known spin manipulation schemes to the NV center spin is crucial to expand the application prospects of the NV center. Thus, this work reports on the adaption of coherent microwave Raman control to the electron spin of the NV center, which can drive the dipole-forbidden transition between two spin sublevels in the NV center's triplet electronic ground state. Consequently, the stimulated Raman transitions (SRT) and stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) two-photon microwave Raman processes were theoretically and numerically analyzed and successfully implemented and verified experimentally on a single NV center electron spin. The two Raman schemes were then also compared in terms of their robustness and success of the spin swap. Apart from this, scalable on-chip coupling of single photon emitters and quantum memories with single optical modes is crucial for building future fully integrated nanophotonic devices. Thus, a purpose-built photonic platform consisting entirely of silicon dioxide thermally grown on a silicon substrate, which stands out by its ultra-low fluorescence, was developed. Experimentally, the integration of a preselected NV emitter was performed with an atomic force microscope, and on-chip excitation of the quantum emitter as well as coupling of single photons to the guided mode of the integrated structure could be demonstrated. This approach demonstrates the potential of this platform as a robust nanoscale interface of on-chip photonic structures with single solid-state qubits.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden neuartige integrierte Einzelphotonenquellen (EPQ) und ihre Anwendung für die Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht. Die Erzeugung von Einzelphotonen basiert auf einzelnen Defektzentren in nanometergroßen Diamantkristallen mit einzigartigen optischen Eigenschaften: Stabilität bei Zimmertemperatur ohne optisches Blinken. Diamantkristalle mit Größen bis unter 20nm wurden mit neuartigen „pick-and-place“ Techniken (z.B. mit einem Atomkraftmikroskop) in komplexe photonische Strukturen integriert. Zwei unterschiedliche Ansätze für die Realisierung der neuartigen EPQ wurden verfolgt. Beim ersten werden fluoreszierende Diamantkristalle in nano- und mikrometergroße Faser-basierte oder resonante Strukturen in einem „bottom-up“ Ansatz integriert, dadurch werden zusätzliche optische Komponenten überflüssig und das Gesamtsystem ultra-stabil und wartungsfrei. Der zweite Ansatz beruht auf einem Festkörperimmersionsmikroskop (FIM). Seine Festkörperimmersionslinse wirkt wie eine dielektrische Antenne für die Emission der Defektzentren. Es ermöglicht die höchsten bisher erreichten Photonenzählraten von Stickstoff-Fehlstellen von bis zu 2.4Mcts/s und Einsammeleffizienzen von bis zu 4.2%. Durch Anwendung des FIM bei cryogenen Temperaturen wurden neuartige Anwendungen und fundamentale Untersuchungen möglich, weil Photonenraten signifikant erhöht wurden. Die Bestimmung der spektralen Diffusionszeit eines einzelnen Defektzentrums (2.2µs) gab neue Erkenntnisse über die Ursachen von spektraler Diffusion. Spektrale Diffusion ist eine limitierende Eigenschaft für die Realisierung von Quanteninformationsanwendungen. Das Tisch-basierte FIM wurde außerdem als kompakte mobile EPQ mit Ausmaßen von nur 7x19x23cm^3 realisiert. Es wurde für ein Quantenkryptographie-Experiment implementiert, zum ersten Mal mit Siliziumdefektzentren. Des Weiteren wurde ein neues Konzept für die Erzeugung von infraroten EPQ entwickelt und realisiert. / The presented thesis covers the development and investigation of novel integrated single photon (SP) sources and their application for quantum information schemes. SP generation was based on single defect centers in diamond nanocrystals. Such defect centers offer unique optical properties as they are room temperature stable, non-blinking, and do not photo-bleach over time. The fluorescent nanocrystals are mechanically stable, their size down to 20nm enabled the development of novel nano-manipulation pick-and-place techniques, e.g., with an atomic force microscope, for integration into photonic structures. Two different approaches were pursued to realize novel SP sources. First, fluorescent diamond nanocrystals were integrated into nano- and micrometer scaled fiber devices and resonators, making them ultra-stable and maintenance free. Secondly, a solid immersion microscope (SIM) was developed. Its solid immersion lens acts as a dielectric antenna for the emission of defect centers, enabling the highest photon rates of up to 2.4Mcts/s and collection efficiencies of up to 4.2% from nitrogen vacancy defect centers achieved to date. Implementation of the SIM at cryogenic temperatures enabled novel applications and fundamental investigations due to increased photon rates. The determination of the spectral diffusion time of a single nitrogen vacancy defect center (2.2µs) gave new insights about the mechanisms causing spectral diffusion. Spectral diffusion is a limiting property for quantum information applications. The table-top SIM was integrated into a compact mobile SP system with dimension of only 7x19x23cm^3 while still maintaining record-high stable SP rates. This makes it interesting for various SP applications. First, a quantum key distribution scheme based on the BB84 protocol was implemented, for the first time also with silicon vacancy defect centers. Secondly, a conceptually novel scheme for the generation of infrared SPs was introduced and realized.