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CN108254591B - 金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜 - Google Patents

金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜。其中，金刚石纳米全光学磁场传感器包括：含有氮‑空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度；光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命。

Description

金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜
技术领域
本发明属于纳米传感领域，主要应用于全光学磁场测量，适合电磁环境复杂、高电压等特殊环境感应磁场测量等方面，具体的涉及金刚石纳米全光学磁场传感器，还涉及包含氮-空位色心的金刚石纳米结构的探针，还进一步涉及含有上述探针的原子力显微镜。
背景技术
纳米传感器即是形状大小或者灵敏度达到纳米级，或者传感器与待检测物质或物体之间的相互作用距离是纳米级的。利用纳米技术制作的传感器，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。
目前的纳米金刚石磁场纳米成像技术，主要利用附着在原子力显微镜(AFM)探针上的含氮-空位色心(NV)的纳米金刚石颗粒，采用光学读取电子自旋共振技术(ODMR)，来对待测物进行纳米级高精密磁场成像。而ODMR技术中，重要的一个条件是需要引入微波来操作NV中的电子自旋。然而这一条件的引入，导致无法实现全光学的磁场传感技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜，以至少部分解决以上所述的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器，包括：
含有氮-空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度；
光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命。
在进一步的实施方案中，所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡；所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。
在进一步的实施方案中，所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构材料为纳米颗粒或纳米线。
在进一步的实施方案中，所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置于一金刚石基底上，所述金刚石基底为单晶或多晶材料。
在进一步的实施方案中，所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构中含单个氮-空位色心或者阵列式排布的多个氮-空位色心。
根据本发明的又一方面，提供一种含有氮-空位色心的金刚石纳米探针，包括：
含有氮-空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度。
在进一步的实施方案中，所述探针中安装有单个含氮-空位色心的纳米金刚石；或者所述探针含有多个含氮-空位色心的纳米金刚石，且多个含氮-空位色心的纳米金刚石呈阵列式排布。
在进一步的实施方案中，所述探针具有一金刚石基底，含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置该基底上。
根据本发明的再一方面，提供一种原子力显微镜，包括：
以上任意一种探针，配置为可以靠近磁场，在接收的光照维持不变且磁场变化时荧光寿命和光致发光强度产生变化；
光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命。
在进一步的实施方案中，所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡；所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡
相较于传统的纳米金刚石磁场传感技术，本发明展示的这种利用金刚石NV缺陷在磁场中的光致发光改变和寿命改变的传感方法显然可以避免引入外部微波辐射和相关的微波器件，大大简化了设备组装以及相关设备成本；
可以进一步利用本发明技术来实现设备微型化和核心器件集成化，例如将含有氮-空位色心的金刚石纳米结构和光致发光检测器件以及荧光寿命检测器件集成，为光纤全光学磁场传感器奠定了技术基础。
附图说明
图1是本发明实施例的物理原理NV在无外磁场B存在下的能级系统与微波操控模型示意图；
图2A和图2B分别是本发明实施例的物理原理NV在没有和有外磁场B存在下的七能级系统对比模型示意图；
图3是本发明实施例的重要物理结论示意图，图3上部分显示NV的寿命随磁场增大而减小，图3下部分显示光致发光强度随磁场增大而减小；
图4是本发明实施例的含有单个NV的金刚石纳米线探针阵列的微纳加工工艺示意图；
图5是根据图4工艺加工的实物的扫描电镜图；
图6是本发明实施例的一种探针式应用装置图；
图7a是本发明实施例的荧光光强与磁场关系的示意图；图7b是本发明实施例的荧光寿命与磁场关系的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的优点以及功效将通过本发明所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。
根据现有的纳米金刚石磁场传感技术，需要引入微波来操作NV中的电子自旋，然而这一条件的引入，导致无法实现全光学的磁场传感技术。
本发明的基本构思在于，利用纳米荧光结构——金刚石中的NV色心实现全光学磁场传感和方法，使用全光学磁场测量技术，消除了一些器件结构复杂度，可以避免引入外部微波辐射和相关的微波器件。
根据本发明实施例的一方面，提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器，包括：
含有氮-空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度；
光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命。
在一些实施例中，所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡。
在一些实施例中，所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。
本发明实施例可以应用于的材料有：含有NV的金刚石纳米结构材料(纳米颗粒、纳米线等)及含有NV的金刚石单晶或多晶块状材料，以及它们各种含有金刚石NV色心基本结构的衍生物或微纳加工结构。
本发明实施例利用如下原理：
i)金刚石中带负电荷的氮-空位色心(NV)缺陷是由与金刚石相邻晶格位置中的空位(V)相关联的替代氮原子(N)组成，具有C3v对称结构，对称轴在氮原子——空位连线上，其中空位捕获电子。在外磁场条件下，这种NV缺陷的光诱导自旋极化和自旋相关光致发光(PL)会变得低效，可以使用NV缺陷光学响应来提取关于该场的磁场的信息。又因为NV色心的晶格结构最小尺寸～0.5nm，所以可以用于纳米传感领域。
以单个NV为例，如图1，利用532m的毫秒脉冲光将块状金刚石中NV色心、自旋极化到ms＝0的激发态，然后施加微波半周期脉冲；使激发态由ms＝0翻转到ms＝±1，然后再进行荧光寿命测量。多次测量到的激发态ms＝0的寿命为12.0ns，而激发态ms＝±1的寿命为7.8ns，寿命差异主要是由于ms＝±1向亚稳态的非辐射跃迁过程导致的。
如图2A和图2B所示，把NV模型考虑为七能级系统。因为各个能级(包含劈裂能级和中间态能级)的能级寿命和荧光发射强度的不同。在外部激光等条件不变，仅改变磁场的情况下，外部磁场会造成NV电子能级布局数改变(激光对NV电子自旋的极化作用发生降低)，其精细能级的弛豫时间发生改变，造成荧光寿命降低，光致发光强度随磁场增大而减小。
ii)上述原因的量子力学解释如下：
考虑存在外场时NV-基态哈密顿量写为：
可以看到NV-的能级受到磁场的影响较大，而不同方向的磁场对能级的影响也不一样。通常情况下金刚石中应力的影响很小，这里我们将其忽略。考虑自旋为1的系统，解薛定谔方程得到：
将简写为β，并令则得到能量本征值方程(为了简便，后面将采用自然单位制，即
解式(1.3)可得到基态能级分布。但通常为了简便，我们可以采用微扰近似来处理。因为零场劈裂D对应1000高斯大小沿NV对称轴方向的磁场，因而可以将几十高斯的磁场影响考虑成微扰(geμB|B|＜＜D)。这样：
的矩阵形式为：
零级本征能为：
能量的一阶修正为二阶修正为因此加入磁场后，能量的修正项为：
从式(1.9)中可以看到，在弱磁场情况下，垂直方向磁场对能级移动的贡献要比轴向磁场的贡献要小。在有沿轴向的外磁场情况下，原本简并的两个能级ms＝±1产生了劈裂。同时由于垂直于轴向的磁场，ms＝±1与ms＝0之间的能级间距被拉大。
NV对称轴方向磁场引起的NV基态能级(自旋三重态)的哈密顿量变化只有对角项，不会改变自旋的本征态；而垂直于对称轴方向的磁场哈密顿量中有非对角项。当垂直方向磁场很强时，系统的本征态不再是自旋ms＝0,±1，而是它们的叠加态。这样激光对自旋的极化作用将降低。
所以，外部磁场增强导致的NV色心布局数改变整体趋势是：寿命较小和光致发光强度小对应能级的布局数分布增加，结果就是实验测量该单个NV色心的寿命随磁场增大而减小，光致发光强度随磁场增大而减小，如图7a和图7b所示。
根据以上分析，本发明实施例的物理原理和本发明结论如图3所示，当外磁场(B)在0-150G的范围内，金刚石纳米结构中的单个NV光致发光(PL)统计强度值随磁场(B)的增大而减小，并且对比度下降一般超过30％；其荧光寿命统计值也随磁场的增大而减小。可知，图3上部分描述了NV的寿命随磁场增大而减小，图3下部分阐示了光致发光强度随磁场增大而减小。
本发明实施例还提供一种含有单个NV的金刚石纳米探针，用来作为全光学磁场探测传感器。一种典型的金刚石纳米探针阵列的微纳加工工艺示意图如图4，步骤如下：
首先，在金刚石上沉积300nm厚SiNx后再匀胶HSQ为300nm(参见子图(a))；
然后通过下列步骤：电子束曝光后显影定影(参见子图(b))，圆盘尺寸为直径200nm；反应离子刻蚀SiNx(参见子图(c))；感应耦合离子刻蚀金刚石，形成高度在1.6um的探针阵列(参见子图(d))；氮离子注入(参见子图(e))；高真空退火后产生NV(参见子图(f))。
根据图4工艺加工的实物的扫描电镜图如图5所示，而其包含的是单个NV的验证及荧光寿命检测如图7a和图7b所示。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种原子力显微镜操作含NV色心的纳米金刚石测量磁场的方法，包括：
含有氮-空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度。
在一些实例中，探针中安装有单个含氮-空位色心的纳米金刚石；或者所述探针含有多个含氮-空位色心的纳米金刚石，且多个含氮-空位色心的纳米金刚石呈阵列式排布。
在一些实施例中，探针具有一金刚石基底，含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置该基底上。
根据本发明实施例的再一方面，提供一种原子力显微镜，包括：
以上所述的探针，配置为可以靠近磁场，在接收的光照维持不变且磁场变化时荧光寿命和光致发光强度产生变化；
光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命。
这里的光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡；所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。
如图6所示，为原子力显微镜操作含NV色心的纳米金刚石测量磁场一种具体的实施方式，即AFM针尖上纳米金刚石颗粒(或者用块状金刚石加工出的AFM整体探针)中的单个NV色心来用光学法读取磁场信息。测量过程为：探针501带着针尖上的含NV色心纳米金刚石颗粒移动到磁场发生器502发射的磁场附近，在可移动反射镜505和同轴数字CCD镜头506以及反射镜504辅助下，将物镜503聚焦到纳米金刚石颗粒上；然后移开可移动反射镜505。激光二极管507经过短通滤波片508发射532nm光照射到探针501的纳米金刚石上，其中的NV色心被激发发射637nm左右的荧光，荧光经过滤波后被单光子计数器509(光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件的一种)收集，通过对单光子计数器509的信号处理，得到荧光光强信息和荧光寿命信息根据光致发光和荧光寿命，逐点扫描样品表面并成像，可以反映样品表面纳米尺度级的磁场变化。
选取一个NV色心测量的数据如图7a和图7b所示，因此在实验中观察到的荧光光强和荧光寿命会受到磁场的大小和方向的影响，NV的寿命随磁场增大而减小，光致发光强度随磁场增大而减小。
本发明实施例通过研究利用纳米荧光结构——金刚石中的NV色心实现全光学磁场传感和方法，避免了外部微波辐射的引入条件下实现纳米磁场传感；使用全光学磁场测量技术，消除了一些器件结构复杂度，结构简单可靠，应用方便，测量响应速度快，磁场强度测量范围广。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金刚石纳米全光学磁场传感器，其特征在于，包括：
含有氮-空位色心的金刚石纳米结构，配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度；
光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件，所述光致发光检测器件配置为检测所述光致发光强度，荧光寿命检测器件配置为检测所述荧光寿命；
所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡；所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡；
所述荧光被光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件的单光子计数器收集，通过对单光子计数器的信号处理，得到荧光光强信息和荧光寿命信息；
其中，垂直氮-空位色心对称轴方向磁场很强时，系统的本征态不再是自旋，而是它们的叠加态；根据氮-空位色心的光学响应以提取外界磁场的信息，所述光学响应包括单个氮-空位色心的荧光寿命随所述外界磁场增大而减小以及单个所述氮-空位色心的光致发光强度随所述外界磁场的增大而减小；
在所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构上沉积300nm厚SiNx后再匀胶HSQ为300nm以制备成含有单个NV的金刚石纳米探针，所述含有单个NV的金刚石探针可用作所述磁场传感器；
所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构材料为纳米颗粒或纳米线，或为含有金刚石NV色心基本结构的衍生物或微纳加工结构；所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置于一金刚石基底上，所述金刚石基底为单晶或多晶材料。
2.根据权利要求1所述的金刚石纳米全光学磁场传感器，其特征在于，所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构中含单个氮-空位色心或者阵列式排布的多个氮-空位色心。
3.一种原子力显微镜，其特征在于，包括：
权利要求1-2中任一项所述的金刚石纳米全光学磁场传感器。
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