[實用新型]一種氮空位色心傳感器

有效

• 申請號: 202020180796.4
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN212228979U
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 孫豫蒙;王孟祺;王鵬飛;王亞;石發展;杜江峰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 張雪嬌

本實用新型提供了一種氮空位色心傳感器，包括：電路板；所述電路板上設置有電極；音叉器件；所述音叉器件的末端與電路板的電極電氣連接；轉接梁；所述轉接梁設置于所述音叉器件的前端；所述轉接梁可透過氮空位色心所發出的熒光及激發氮空位色心的激光；金剛石基片；所述金剛石基片的一面與轉接梁相連接；相對的一面設置有金剛石納米柱波導陣列；所述金剛石納米柱波導上設置有氮空位色心。與現有技術相比，本實用新型提供的傳感器設置有金剛石納米柱波導陣列，形成多個含有氮空位色心的探頭，提高了氮空位色心傳感器的效率和使用壽命；并且其設置于金剛石基片，通過轉接梁連接，增強探頭的剛度；進一步地通過設置金剛石納米柱波導的形狀提升了其靈敏度。

技術領域

本實用新型屬于掃描傳感器技術領域，尤其涉及一種氮空位色心傳感器。

背景技術

氮空位色心(NV色心)是金剛石中的一種固態點缺陷，由一個氮原子和鄰近一個空位構成，是自旋為1的三能級結構系統。氮空位色心的量子態可以通過激光進行初始化，使用微波進行量子操控，并通過熒光進行讀出。NV色心可作為一種分子尺度的靈敏傳感器，用于測量環境中的磁場、溫度、電場等物理量，這些物理量會引起NV色心的電子自旋能級發生變化，通過測試NV能級的擾動可以反推出這些物理量的大小。將金剛石中的NV色心做成掃描傳感器，結合原子力顯微鏡掃描系統可以實現對被測目標的納米級掃描成像，獲取目標的磁場、電場、溫度等圖像。

此類基于NV色心的掃描傳感器目前主要使用單個金剛石納米顆粒或單根金剛石納米柱作為掃描探頭。

使用金剛石納米顆粒作為探針，主要有兩種使用方式。第一種將金剛石納米顆粒撒在待測樣品上。尺寸10nm左右的納米顆粒使得NV色心可以探測到樣品表面近達10nm以內的信號。但是含有單個NV色心的金剛石納米顆粒產率低，同時將金剛石顆粒撒落在樣品表面的方式隨機性較大，以及納米顆粒只能探測附近的樣品信號，難以進行大范圍的樣品信號成像。第二種使用光纖頭拾取金剛石納米顆粒。光纖頭的移動可以帶動金剛石納米顆粒進行移動，進行樣品表面信號成像。但是由于光纖頭和樣品分布在金剛石納米顆粒的兩側，收集熒光信號的物鏡只能放在樣品一側，只能測量透明樣品，造成限制。

單根納米柱型探針是十微米級金剛石基片上只有一根納米級柱狀光波導，NV色心在距離納米柱前端10nm以內，可結合AFM系統直接對樣品進行掃描成像。但是單根納米柱型探針的產率低，工藝復雜，單個NV色心損壞后只能中斷掃描，更換探針，不能實現連續不間斷測量。

綜上所述，已有NV色心掃描傳感器方案主要存在NV色心品質較差、靈敏度低、探針制作良品率不高、探針壽命較短等問題。

實用新型內容

有鑒于此，本實用新型要解決的技術問題在于提供一種剛度較大且靈敏度較高的氮空位色心傳感器。

本實用新型提供了一種氮空位色心傳感器，包括：

電路板；所述電路板上設置有電極；

音叉器件；所述音叉器件的末端與電路板的電極電氣連接；

轉接梁；所述轉接梁設置于所述音叉器件的前端；所述轉接梁可透過氮空位色心所發出的熒光及激發氮空位色心的激光；

金剛石基片；所述金剛石基片的一面與轉接梁相連接；相對的一面設置有金剛石納米柱波導陣列；所述金剛石納米柱波導上設置有氮空位色心。

優選的，所述金剛石納米柱波導為圓臺形狀。

優選的，所述圓臺形狀的上表面直徑為200～800nm；邊傾角為5°～30°；高度為0.3～2μm。

優選的，所述金剛石納米柱波導上氮空位色心從表面開始深度為3～50nm。