应用于未来纳米传感的金刚石针尖
2019-03-04 12:46:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

实验中使用的金刚石金字塔针尖示例，针尖半径约为10纳米，允许以纳米级空间分辨率进行感测

据麦姆斯咨询报道，新加坡科技研究局（A*STAR）的研究人员发现，原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）中使用的市售金刚石针尖有助于使量子纳米传感变得更具成本效益和实用性。

使用“色心”，金刚石中的光学活性原子缺陷作为探针，用于进行诸如电磁场、温度或应力的高灵敏度纳米级测量的想法是众所周知的。然而，在实践中，这些实验通常需要昂贵的定制金刚石纳米结构，收集色心生成的微弱光学信号也是一项挑战。

现在，Victor Leong、A*STAR材料研究和工程研究所的同事以及高性能计算研究所最新发表了一项研究，表明使用含有硅空位中心的商用金字塔形金刚石AFM针尖可能会有所帮助。该方法具有以下优势。

首先，该团队使用共焦显微镜和以不同方向排列的金刚石针尖进行的实验表明，金刚石针尖的金字塔形状充当了由色心生成的弱红外（738纳米）光致发光高效收集器。由于几何效应，发出的光致发光较大部分被引导到金字塔底部，导致该方向的信号比其他方向的强八倍。在实验中，针尖的底部连接到氮化硅悬梁臂，且对红外光透明，使光致发光能够通过并被分光光度计收集。

Leong解释道，“在许多纳米传感应用中，本身信号较弱，将对灵敏度构成根本限制。收集和检测更大信号的能力提高了很多性能指标，例如最小可检测信号、分辨率和测量时间。”

其次，这些金刚石针尖是商业可得的，并且与AFM和显微镜设备兼容，提供了实际可实施的途径。Leong评论道，“这些现成的金刚石AFM针尖易于获得且价格便宜。每个售价约100新元。如果它们包含具有适合光学性质的色心，它们将可能成为其他金刚石纳米探针的低成本替代品。较低的成本和易用性有助于促进量子技术应用的快速发展和采用。”

极小尺寸的金刚石针尖，半径约为10纳米，长度约为15微米，意味着它们可以非常接近待研究的样品，从而最大化测量灵敏度和空间分辨率。Leong评论道，“这些金刚石针尖可用于与其他金刚石结构相比具有挑战性的传感应用，例如，绘制深沟槽的电磁特性或紧密排列的纳米结构周围空间。”

迄今为止，该团队一直致力于研究具有硅空位色心的金刚石针尖，但Leong表示也有可能引入磁性测量研究中常见的氮空位色心。Leong解释道，“论文中提到的一批金刚石针尖是以名义上无氮工艺制造的，因此有许多硅空位中心，氮空位中心却很少。然而，我们获得的其他单独批次金刚石针尖却含有高浓度的氮空位中心。”

既然团队已经证明从金刚石针尖提高光学读数是可行的，下一阶段的研究将优化性能并进行一些实际的传感实验。Leong表示，“我们计划在实际纳米传感应用中部署这些针尖，目前的设想包括纳米级磁传感和表面研究。”

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00921

延伸阅读：

《MEMS产业现状-2018版》