Et tip til fremtidig nanoskala -sansning

Kommercielt tilgængelige diamantspidser, der bruges i atomkraftmikroskopi (AFM), kan hjælpe med at gøre kvante-nanoskala-sensing omkostningseffektiv og praktisk, A*STAR -forskere har fundet.

Ideen om at bruge 'farvecentre', optisk aktive atomfejl i diamant, som en sonde til at foretage meget følsomme nanoskala målinger af mængder, såsom elektromagnetisk felt, temperatur, eller stamme er velkendt. I praksis, imidlertid, disse forsøg krævede ofte den dyre fremstilling af specialdesignede diamant-nanostrukturer, og det er en udfordring at indsamle det meget svage optiske signal, som farvecentrene producerer.

Nu, en nylig undersøgelse udgivet af Victor Leong, og kolleger fra A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering, og Institute of High Performance Computing, antyder, at brug af kommercielle pyramideformede diamant AFM-spidser, der indeholder ledige centre for silicium - kunne hjælpe. Fremgangsmåden har flere fordele.

For det første, teamets eksperimenter med et konfokalt mikroskop og diamantspidser arrangeret i forskellige retninger viser, at diamantspidsens pyramideform fungerer som en yderst effektiv samler af den svage infrarøde (738 nanometer) fotoluminescens genereret af farvecentret. På grund af geometriske effekter, en større del af den udsendte fotoluminescens blev kanaliseret til pyramidens bund, hvilket resulterer i et signal op til otte gange stærkere end andre retninger. I forsøgene, bunden af ​​spidsen var fastgjort til en siliciumnitrid udkrager, gennemsigtig for det infrarøde lys, så fotoluminescensen kunne passere og opsamles af et spektrofotometer.

"I mange nanosensingapplikationer, signalet er i sagens natur meget svagt, og dette udgør en fundamental grænse for følsomheden, "forklarede Leong." Evnen til at indsamle og detektere et større signal forbedrer mange præstationsmålinger, såsom minimum detekterbart signal, opløsning og målingstid, for eksempel."

For det andet, disse diamantspidser er kommercielt tilgængelige og kompatible med AFM og mikroskopudstyr, tilbyder en vej til praktisk implementering. "Disse AFM-spidser på hylden er let tilgængelige og billige. De koster omkring SGD 100 hver, "kommenterede Leong." Hvis de indeholder farvecentre med passende optiske egenskaber, de kunne være en billig erstatning for andre diamant nanosonder. De lavere omkostninger og lette tilgængelighed kan bidrage til at fremme den hurtige udvikling og optagelse af kvanteteknologiske applikationer. "

Den ekstremt lille størrelse på diamantspidserne, som har en spidsradius på ca. 10 nanometer og en længde på omkring 15 mikrometer, betyder, at de kan bringes ekstremt tæt på prøven, der skal undersøges, maksimering af målefølsomhed og rumlig opløsning. "Disse diamantspidser kan potentielt bruges til at registrere applikationer, der er udfordrende at udføre med andre diamantstrukturer, for eksempel, kortlægning af de elektromagnetiske egenskaber af dybe skyttegrave eller rummet omkring tæt placerede nanostrukturer, " kommenterede Leong.

Til dato, teamet har fokuseret på at undersøge diamantspidser med farvecentre for ledige stillinger i silicium, men Leong siger, at det også er muligt at indføre nitrogencentre, der er populære i magnetometriundersøgelser. "Partiet med diamantspidser, der blev diskuteret i papiret1, blev fremstillet i en nominelt nitrogenfri proces og havde derfor mange ledige centre i silicium, men meget få nitrogen-ledige centre, "forklarede Leong." Dog, andre separate partier med diamantspidser, vi fik, indeholdt høje koncentrationer af kvælstof -ledige centre. "

Nu hvor holdet har vist, at forbedret optisk udlæsning er mulig fra diamantspidserne, den næste fase af forskningen vil være at optimere ydeevnen og derefter udføre nogle faktiske sansningseksperimenter "Vi planlægger at implementere disse tip i praktiske nanosenseringsapplikationer. Aktuelle ideer omfatter nanoskala magnetisk sansning og overfladestudier, " sagde Leong.