[發明專利]一種提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法

有效

• 申請號: 202011035888.4
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112485734B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 高學棟;馮志紅;蔚翠;何澤召;劉慶彬;郭建超;周闖杰
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十三研究所
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 李坤

本發明涉及金剛石色心制備技術領域，具體公開一種提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法。所述提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法，包括如下工藝步驟：a、取長方體金剛石，使用2?10MeV電子束對其進行輻照；b、將經過所述輻照后的所述金剛石在1^?5?10^?5mbar、850?1000℃下退火；c、去除完成所述退火后的所述金剛石表面的氧化層和雜質，在所述金剛石相對的兩個側面分別連接光纖，剩余的四個面鍍上全反射鍍層。本發明提供的提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法可以使單晶金剛石色心腔體達到類似光纖腔體的高效率熒光反射與收集的效果，顯著增加金剛石NV色心的熒光收集效率。

技術領域

本發明涉及金剛石色心制備技術領域，尤其涉及一種提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法。

背景技術

金剛石NV色心具有多種優良性質的固態單自旋量子體系，借助NV色心可以實現微弱磁場的探測，在室溫常壓條件下，就能利用激光初始化讀出NV電子的自旋狀態，進而實現外部磁場的測量，被廣泛應用于量子存儲、量子信息處理、生物熒光標記以及超分辨成像等領域。傳統激發金剛石NV色心方法為使用532nm激光器將激光由金剛石大面垂直入射進入金剛石內部，這種方法會導致激光光程比較短，一般為微米級別，所激發的金剛石NV色心較少，導致金剛石NV色心的熒光光子數減少。

根據金剛石磁探測聲子散射噪聲極限靈敏度公式可知，熒光強度I₀越大，則金剛石NV色心磁探測噪聲越低，靈敏度越高，在不增大其他參數的情況下，通過提升熒光收集效率來提升靈敏度成為一種簡單有效的方法。但由于金剛石NV色心與電磁場耦合強度較小，因此對NV色心的熒光收集效率一直較低。為提高金剛石NV色心的熒光收集效率，傳統的如采用等離子體增強的方式對NV色心熒光信號進行增強或對金剛石進行加工使其產生一些特殊的結構等方法，這些方法的實現所需的實驗操作非常復雜，實驗要求非常高且加工品質不易保證，不利于推廣。也有采用多個光電探測器從多個方向對NV色心的熒光進行收集的方法來提高熒光收集效率，但這使得整個金剛石NV色心熒光激發采集系統過于龐大限制了其在小型靈敏傳感器上的應用。還有使用納米金剛石所制備的光纖結合腔體來提高熒光收集效率，但是納米金剛石由于每個金剛石都相當于獨立的個體，組合到一起時每個金剛石的朝向都是隨機分布的，相當于多晶金剛石。金剛石中存在四種軸向的NV色心，且四種軸向分布幾率相同，都為25％，金剛石NV色心軸向與金剛石切割面為固定的角度，在使用外來激光、微波和磁場進行調控時，可以沿著固定的晶向進行操作，便于高質量的量子調控，因此，使用納米金剛石時，每個納米金剛石的朝向隨機分布，將會導致四種軸向NV色心分布比例也是隨機的，不能夠在固定的金剛石晶向進行激光、微波或磁場的操縱。而且每一次做出的納米金剛石材料，其納米金剛石朝向也是完全隨機的，不可控制的。將會導致制作金剛石色心器件時，每一個樣品的重復性不同，不能夠標準化的批量制備。且納米金剛石的光學反射腔體靠其外部其它材料結構反射熒光，使用金剛石外部作為反射微腔，且激光和熒光從不同的納米金剛石進出時會穿越每個納米金剛石的界面，由于整個納米金剛石團的界面非常多，將造成較大的熒光損耗，增加信號噪聲。

發明內容

針對現有NV色心的熒光收集效率低以及熒光收集效率提升困難的問題，本發明提供一種提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法。

為達到上述發明目的，本發明實施例采用了如下的技術方案：

一種提高金剛石NV色心熒光收集效率的方法，包括如下工藝步驟：

a、取長方體金剛石，使用2-10MeV電子束對其進行輻照；

b、將經過所述輻照后的所述金剛石在1^-5-10^-5mbar、850-1000℃下退火；

c、去除完成所述退火后的所述金剛石表面的氧化層和雜質，在所述金剛石相對的兩個側面分別連接光纖，剩余的四個面鍍上全反射鍍層。