[發明專利]集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計及制作工藝

有效

• 申請號: 201810574190.6
• 申請日: 2018-06-06
• 公開（公告）號: CN108983121B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 黃堃;馬宗敏;程林;曹麗琴;傅月平;鄭斗斗
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發明屬于固態原子磁強計領域和微納加工制造領域，特別是公開了一種集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計及其制作工藝，本發明將制備有NV色心系綜的塊狀金剛石片進行磨邊整形得到梯臺狀金剛石，隨后通過薄膜生長工藝在金剛石上表面制備出多層介質組合的反射膜，并且在底部制備多層介質組合的截止濾波膜，兩種光學功能膜包裹金剛石介質形成一個陷光結構，最后，在這個金剛石為主體的陷光結構上制備出環形微波天線，開鑿通光孔，微組裝激光二極管和光電二極管，實現集成的NV磁強計，本發明開創性的以金剛石為核心集成設計總體陷光腔結構和系統調制光子收集各功能部件，能夠最大化提高固態原子磁強計靈敏度和減小器件體積。

技術領域

本發明屬于固態原子磁強計領域和微納加工制造領域，特別是涉及一種集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計及其制作工藝。

背景技術

磁檢測技術作為主要物理量探測在科學研究、工程技術應用，以及生物醫療等領域有著巨大的研究價值。在眾多磁檢測技術中金剛石固態磁檢測技術具有精度高、響應時間快、可兼容集成拓展應用等優勢。

金剛石固態磁強計主要通過微波調制NV色心能級躍遷輻射出的熒光信號實現對周圍磁場信息的檢測。金剛石中的NV色心是通過在人造金剛石中注入一定濃度的N取代的原金剛石中C，并且在相鄰晶格存在一個空位(Vacancy)，形成一個氮-空位(N-V)結構。N比C多出一個電子，因此形成的NV結構便多出一個易于操控的電子，受波長532nm綠激光激發后會發出熒光，在頻率2.87GHz微波調制下輻射出的熒光譜顯示出電子自旋共振(ESR)。當處于不同磁場環境中，ESR譜中塞曼分裂程度對應了不同大小及方向的磁信息。利用這一原理搭建一個光激發檢測磁共振(ODMR)信息的多物理場系統可以檢測到微弱磁信號。

在2005年，加州大學SantaBarbara分校R.J.EPSTEIN首次驗證了NV色心隨磁場變化敏感特性。隨后的研究也定量得出對于磁靈敏度的提高更NV色心熒光收集效率和微波調制效率等一系列相關參數密切相關。采用微納加工集成技術實現微波部件與激光部件集成于金剛石一體可以減小各種中間傳輸損耗。同時，由于需要激光與微波信號共同作用調制出所檢測的磁信號，通常系統體積較大。只有當磁檢測敏感部件足夠小，且集成封裝到一個較小尺寸范圍內才具備更為廣闊的商業用途。在此，我們提出本發明所述的集成ODMR各功能部件于金剛石上的NV色心磁強計方案，以實現器件小型化與高性能。

發明內容

本發明旨在克服現有技術不足，解決了現階段磁強計體積大、集成度低的問題，提供一種集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計及其制作工藝，本發明在金剛石基底上運用微納加工技術與微組裝技術實現NV色心的高效激發、全熒光收集和高效微波調制的ODMR系統，并將其應用到微弱磁信號的收集的高精度探測，整個系統的集成度高。

為解決上述技術問題，本發明保護的一個技術方案為：集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計，包括：

一個陷光結構，其上表面開設通光孔；

設置在陷光結構上表面的環形微波天線，微波天線外接微波信號；

通光孔處的陷光結構上微組裝有激光二極管，用于發出激發光源；

緊貼在陷光結構底部的光電二極管，其負責收集經濾波后陷光結構發出的熒光。

進一步地，所述陷光結構的主體為含有NV色心系綜的塊狀金剛石，金剛石的底面包覆有截止濾波膜，金剛石的上表面包覆有反射膜。

進一步地，所述金剛石的整體結構為梯臺型。

進一步地，所述反射膜采用DBR全反射膜。

進一步地，所述激光二極管為綠激光二極管，其產生波長為532nm的激光。

本發明保護的另一個技術方案為：集成ODMR功能部件的金剛石NV磁強計的制作工藝，按照以下步驟進行：