3D打印复杂微结构，应用于量子传感器
2023-11-07 08:10:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

这项创新有望为精密测量、生物成像和环境监测领域开辟新应用。

这项用于量子传感器的创新3D打印技术，使研究人员能够将氮空位中心嵌入具有复杂几何形状的微尺度3D结构中，包括纳米级的3D打印测试专用模型“3DBenchy”（一种类似拖船的测试模型）。

量子传感是一个前景广阔的新兴领域，但事实证明，为这些纳米级传感器构建晶体衬底仍然存在挑战。据麦姆斯咨询介绍，美国加利福尼亚大学伯克利分校（University of California，Berkeley）的研究人员开发了一种创新的3D打印制造方法，将量子传感粒子构造成复杂的3D结构，能够准确检测微观环境中的温度和磁场变化。

该研究成果已发表于Nano Letters期刊，据报道，研究人员提出的这项3D打印方法，利用双光子聚合制造基于氮空位中心的高度可定制3D结构的量子传感器。这种可打印的量子传感器能够在室温下进行高灵敏的测量，有望为材料科学、生物学和化学的变革性应用打开大门。

该研究共同主要作者、机械工程系研究生Brian Blankenship表示：“我们的研究展示了将量子传感器与先进3D打印技术相结合的潜力，从而实现其他方法无法达成的新设计。经过进一步的完善，这项新技术有望将量子传感器引入微流控、电子和生物系统，甚至开辟其他目前还没有想到的应用。”

机械工程系教授、联合首席研究员Costas Grigoropoulos补充称：“这种新的制造技术能够实现高度定制，因此可以精确设计出具有所需性能的结构。这些构建材料经过优化，可以提供量身定制的机械响应。它们可以整合传感和驱动功能，适用于结构材料、组织工程和光机系统等应用。”

量子传感器利用原子和光的特性来测量磁场、电场、应变和温度的微小变化。它们已经用于为GPS系统提供最精确的时钟，现在，人们对将这些传感器应用于神经科学等其他领域产生了浓厚的兴趣。

但Grigoropoulos表示：“量子传感器从实验室条件走出来还存在困难。许多量子传感平台需要极低的温度（比冰点低数百度）才能正常工作。此外，这些材料通常需要非常纯净和完美的结晶，这可能会阻碍它们在许多实际场景中的应用。”

为了解决这个问题，研究人员采用3D打印制造技术，将量子传感粒子（氮空位中心）构造成3D结构。当金刚石内部的单个碳原子被氮原子取代，并且相邻的碳原子为空时，就会出现这些氮空位中心。氮空位中心非常独特，它们可以在室温下很好的工作，即使是粒子也能保持其量子特性。

氮空位中心嵌入具有复杂几何形状的微尺度3D结构中，可以通过光学成像来测量其内部的温度和磁场。

Blankenship说：“我们的方法克服了结构化单晶衬底相关的挑战，这些氮空位中心可以在室温下可靠地工作。我们证明了通过使用改进的显微镜，可以对这些结构内部的温度和磁场进行精确测量。”

他说：“现在，这项技术使我们能够将传感元件打印到微流控芯片中，或者先进的半导体器件上，甚至细胞支架上，同时为这些系统提供先进的诊断功能。尽管目前的论文研究专注于测量温度和磁场，但我们相信这项成果还可以扩展到其他类型的测量。”

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02251

延伸阅读：

《量子传感器技术及市场-2023版》