利用優(yōu)化的金剛石探針實(shí)現(xiàn)卓越的納米級(jí)傳感和成像。

從生物學(xué)領(lǐng)域的微生物發(fā)現(xiàn)到物理學(xué)領(lǐng)域的原子成像，顯微成像提高了我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，并對(duì)許多科學(xué)進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，隨著自旋電子學(xué)和微型磁性器件的出現(xiàn)，越來越需要納米尺度的成像來探測(cè)物質(zhì)的量子性質(zhì)，如電子自旋、鐵磁體中的磁疇結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)體中的磁渦。

使用掃描NV探頭對(duì)磁帶中的磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。通過FIB銑削加工制作的金剛石NV中心探頭的掃描顯示了磁帶磁疇結(jié)構(gòu)的成像。來源：Toshu An from JAIST.

通常，這是通過補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡技術(shù)（如掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡（AFM））和磁性傳感器來實(shí)現(xiàn)的，以創(chuàng)建“掃描磁測(cè)探針”，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)成像和傳感。然而，這些探針通常需要超高真空條件、極低溫度，并且空間分辨率受到探針尺寸的限制。

在這方面，金剛石中的氮空位（NV）中心（金剛石結(jié)構(gòu)中的缺陷，由與缺失原子產(chǎn)生的“空位”相鄰的氮原子形成）受到了極大的關(guān)注。事實(shí)證明，NV對(duì)可以與AFM結(jié)合以完成局部磁成像，并且可以在室溫和壓力下工作。然而，這些探針的制造涉及復(fù)雜的技術(shù)，不允許對(duì)探針形狀和尺寸進(jìn)行太多控制。

（a）掃描金剛石NV探針的制造程序說明：（i）將14N+離子注入金剛石基底，（ii）將大塊金剛石激光切割成棒狀，（iii）將金剛石棒粘合到石英音叉AFM探針的頂端，和（iv）具有內(nèi)徑（Ri）和外徑（Ro）的圓環(huán)形纖維銑削工藝，以制造微柱。掃描金剛石NV探頭的側(cè)視圖（c）和俯視圖（d）的光學(xué)（b）和SEM圖像。

在日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）副教授Toshu An和JAIST博士生Yuta Kainuma領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究中，日本與京都大學(xué)和國(guó)家高級(jí)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員合作解決了這一問題，使用激光切割和聚焦離子束（FIB）加工相結(jié)合的新技術(shù)制造NV承載金剛石探針，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高度的加工自由度和對(duì)探針形狀的控制。這篇論文于2021年12月28日發(fā)表在《Applied Physics》上。

首先，研究小組通過向塊狀金剛石中注入氮離子，在其中創(chuàng)建了N-V中心。接下來，他們拋光對(duì)面，用激光切割制作出多個(gè)棒狀工件。他們將其中一根金剛石棒連接到AFM探針的尖端，并使用FIB處理將金剛石棒的前表面變成最終的探針形狀?！癋IB使用鎵離子來塑造探針。然而，這些離子會(huì)在金剛石結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空位，從而改變NV缺陷的電荷狀態(tài)。為了避免這種情況，我們?cè)谔结樦行闹車褂昧艘环N甜甜圈形狀的銑削模式，以防對(duì)NV中心造成任何損壞，”An博士解釋道。最后的探針是一個(gè)微柱，由103個(gè)NV中心組成，直徑為1.3μm，長(zhǎng)度為6μm。

（a）結(jié)合共焦掃描激光顯微鏡和掃描NV探針石英AFM的實(shí)驗(yàn)配置。（b）磁帶樣品的三維地形AFM圖像。通過金絲（φ）將微波引入掃描金剛石NV探針?=?25?μm）在面內(nèi)外磁場(chǎng)Hext下覆蓋在樣品上?=?5.2?mT.（c）金剛石探針中NV中心（NV1–NV4）量子軸的側(cè)視圖和俯視圖。

利用該探針，研究小組對(duì)磁帶中的周期性磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。An博士解釋說：“我們通過映射固定微波頻率下的光致發(fā)光強(qiáng)度和光學(xué)檢測(cè)到的磁共振光譜中的共振頻率，從磁疇結(jié)構(gòu)中成像了雜散磁場(chǎng)?！?。

該團(tuán)隊(duì)樂觀地認(rèn)為，新的制造方法將擴(kuò)大量子成像探針的適用性。他們認(rèn)為，近年來，人們一直在尋求開發(fā)新設(shè)備，以解決環(huán)境和能源問題，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)繁榮。量子測(cè)量和傳感技術(shù)有望在未來徹底改革支持社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)。因此，他們的制備技術(shù)“將有助于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)量子成像的努力”。

掃描鉆石探針的光學(xué)（a）和PL（b）俯視圖圖像。探針位置由白色虛線圓圈標(biāo)記，其中顯示最大PL強(qiáng)度，如線形圖所示。（c） NV金剛石探頭的PL強(qiáng)度（實(shí)線），作為激光聚焦z位置的函數(shù)。顯示了用Savitzky–Golay（實(shí)心圓）過濾的PL數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)和用四階多項(xiàng)式擬合的曲線（紅色實(shí)線）。已設(shè)置安裝的最大位置（藍(lán)色實(shí)線）以跟蹤NV探頭z位置。（d）在不同焦點(diǎn)位置觀察到的光學(xué)俯視圖像。（e）金剛石探針的NVs（NV1–NV4）量子軸的相對(duì)坐標(biāo)，傾斜于從（d）推斷出的磁性樣品。

來源：Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by lasercutting and focused ion beam milling, Journal of Applied Physics (2021). DOI:10.1063/5.0072973