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實驗中使用的金剛石金字塔針尖示例，針尖半徑約為10納米，允許以納米級空間分辨率進(jìn)行感測

據(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡科技研究局（A*STAR）的研究人員發(fā)現(xiàn)，原子力顯微鏡（atomic force microscopy， AFM）中使用的市售金剛石針尖有助于使量子納米傳感變得更具成本效益和實用性。

使用“色心”，金剛石中的光學(xué)活性原子缺陷作為探針，用于進(jìn)行諸如電磁場、溫度或應(yīng)力的高靈敏度納米級測量的想法是眾所周知的。然而，在實踐中，這些實驗通常需要昂貴的定制金剛石納米結(jié)構(gòu)，收集色心生成的微弱光學(xué)信號也是一項挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，Victor Leong、A*STAR材料研究和工程研究所的同事以及高性能計算研究所最新發(fā)表了一項研究，表明使用含有硅空位中心的商用金字塔形金剛石AFM針尖可能會有所幫助。該方法具有以下優(yōu)勢。

首先，該團(tuán)隊使用共焦顯微鏡和以不同方向排列的金剛石針尖進(jìn)行的實驗表明，金剛石針尖的金字塔形狀充當(dāng)了由色心生成的弱紅外（738納米）光致發(fā)光高效收集器。由于幾何效應(yīng)，發(fā)出的光致發(fā)光較大部分被引導(dǎo)到金字塔底部，導(dǎo)致該方向的信號比其他方向的強八倍。在實驗中，針尖的底部連接到氮化硅懸梁臂，且對紅外光透明，使光致發(fā)光能夠通過并被分光光度計收集。

Leong解釋道，“在許多納米傳感應(yīng)用中，本身信號較弱，將對靈敏度構(gòu)成根本限制。收集和檢測更大信號的能力提高了很多性能指標(biāo)，例如最小可檢測信號、分辨率和測量時間。”

其次，這些金剛石針尖是商業(yè)可得的，并且與AFM和顯微鏡設(shè)備兼容，提供了實際可實施的途徑。Leong評論道，“這些現(xiàn)成的金剛石AFM針尖易于獲得且價格便宜。每個售價約100新元。如果它們包含具有適合光學(xué)性質(zhì)的色心，它們將可能成為其他金剛石納米探針的低成本替代品。較低的成本和易用性有助于促進(jìn)量子技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展和采用。”

極小尺寸的金剛石針尖，半徑約為10納米，長度約為15微米，意味著它們可以非常接近待研究的樣品，從而最大化測量靈敏度和空間分辨率。Leong評論道，“這些金剛石針尖可用于與其他金剛石結(jié)構(gòu)相比具有挑戰(zhàn)性的傳感應(yīng)用，例如，繪制深溝槽的電磁特性或緊密排列的納米結(jié)構(gòu)周圍空間。”

迄今為止，該團(tuán)隊一直致力于研究具有硅空位色心的金剛石針尖，但Leong表示也有可能引入磁性測量研究中常見的氮空位色心。Leong解釋道，“論文中提到的一批金剛石針尖是以名義上無氮工藝制造的，因此有許多硅空位中心，氮空位中心卻很少。然而，我們獲得的其他單獨批次金剛石針尖卻含有高濃度的氮空位中心。”

既然團(tuán)隊已經(jīng)證明從金剛石針尖提高光學(xué)讀數(shù)是可行的，下一階段的研究將優(yōu)化性能并進(jìn)行一些實際的傳感實驗。Leong表示，“我們計劃在實際納米傳感應(yīng)用中部署這些針尖，目前的設(shè)想包括納米級磁傳感和表面研究。”