[發明專利]納米級掃描傳感器

在審

• 申請號: 201910017535.2
• 申請日: 2013-08-20
• 公開（公告）號: CN109765257A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: M·S·格瑞諾德斯;洪晟根;P·梅勒丁斯基;A·亞考貝
• 申請（專利權）人: 哈佛學院院長及董事
• 主分類號: G01N24/10
• 分類號: G01N24/10;G01Q60/54;G01Q70/14;G01R33/022;G01R33/032;G01R33/12;G01R33/60
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 劉倜

本公開涉及納米級掃描傳感器。感測探頭可以由包括一個或多個自旋缺陷的金剛石材料形成，所述自旋缺陷被構造為發射熒光，并且位于離感測探頭的感測表面不超過50nm。感測探頭可以包括光學解耦結構，所述光學解耦結構由所述金剛石材料形成，并且被構造為光學地將所述熒光引向光學解耦結構的輸出端。光學探測器可以探測所述熒光，所述熒光從自旋缺陷發射，并且在被光學地引導通過光學解耦結構的輸出端之后通過光學解耦結構的輸出端出射。安裝系統可以保持感測探頭，并且在允許感測探頭的感測表面與采樣的表面之間的相對運動的同時控制感測表面與樣本表面之間的距離。

本申請是于2013年8月20日提交的、PCT申請號為 PCT/US2013/055644、于2015年2月17日進入中國國家階段、中國 國家申請號為201380044035.9、發明名稱為“納米級掃描傳感器”的 申請之分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請基于2012年8月22日提交的、標題為“Nanoscale Scanning Sensors”的、序號為61/692,077的美國臨時專利申請(“‘077臨時 申請”)，并且依據35U.S.C 119(c)要求該申請的優先權。‘077臨 時申請的全部內容通過引用并入本文，就好像被充分闡述一樣。

關于聯邦政府資助研究的聲明

本發明是在政府支持下根據下列合同號進行的：由NIST授予的 合同號60NANB10D002；由DARPA授予的合同號HR0011-09-1-0005； 以及由DARPA授予的合同號HR0011-10-1-0073。政府對于本發明具 有某些權利。

背景技術

固態系統中的自旋缺陷，諸如金剛石中的NV(氮-空位)缺陷中 心，具有許多潛在應用。這些應用包括，但不限于，納米級電磁場感 測、單光子顯微鏡檢查、量子信息處理和生物成像。

基于NV中心的納米傳感器依賴于將單個氮-空位中心定位在樣本 的幾個納米內、然后在采樣表面上掃描它、同時保留NV中心的自旋 相干性和讀出保真度的能力。

然而，現有的掃描技術受困于包括低靈敏度、低分辨率和高數據 采集時間的缺點。認為這些缺點是由于包括下列因素中的一個或多個 的若干因素導致的：由于晶體質量不良導致自旋相干時間短；自旋缺 陷與正被分析的樣本表面之間的距離太大；自旋缺陷與正被分析的樣 本表面之間的距離變化；以及從NV中心近場收集熒光的效率低。

例如，一種已知技術利用包含NV自旋缺陷的金剛石納米顆粒。 金剛石納米顆粒連附到光纖以在金剛石納米顆粒內光學地尋址NV缺 陷，微波發生器用于當金剛石納米顆粒緊鄰將被分析的樣本放置時操 縱NV缺陷的自旋狀態，并且在樣本的相對側上提供探測器來探測來 自NV缺陷的熒光性。

前述構造具有若干問題。首先，雖然使用金剛石納米顆粒確保了 NV缺陷可以靠近將被分析的樣本定位，但是金剛石納米顆粒往往具 有較差的金剛石質量，其中的NV缺陷具有很短的自旋相干時間，并 且可能在光學上不穩定，導致靈敏度不良。第二，熒光在所有方向上 發射，并且僅小部分可以被探測到。第三，探測器設置在樣本的與金 剛石納米顆粒相對的一側，因此，所述構造僅可以用于對于熒光發射 透明的材料樣本。雖然光學探測器可以定位在樣本的與金剛石納米顆 粒相同的一側，但是難以將探測器布置為有效地捕捉熒光發射，這是 因為金剛石納米顆粒粘附到光纖的末端，該末端阻止了探測到納米顆 粒的與光纖相同的一側的熒光性。

前述構造的替代方案將是使用包括具有較長的自旋相干時間的 NV缺陷的高質量單晶金剛石材料。然而，微米級單晶金剛石材料的 使用具有若干問題，包括，例如：自旋缺陷與正被分析的樣本表面之 間的距離太大；自旋缺陷與正被分析的樣本表面之間的距離變化；以 及從NV中心近場收集熒光的效率低。

本發明的某些實施例的目的是解決前述問題中的一個或多個。

發明內容