近日，上海微系統(tǒng)所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用微納加工技術(shù)制備了一種基于氮空位（NV）色心的微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器。相關(guān)研究成果于2022年5月9日以“Amicrofabricatedfiber-integrated diamond magnetometer with ensemble nitrogen-vacancy centers”為題發(fā)表在當(dāng)期的Applied Physics Letters上（Appl. Phys. Lett. 120, 191104 (2022); doi: 10.1063/5.0089732）。
鉆石，不僅可以作為珠寶裝飾品，更是具有極高研究價(jià)值的新型量子材料。氮空位缺陷——NV色心，是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中最常見的點(diǎn)缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可以進(jìn)行精密磁測量。NV色心在常溫下也具有穩(wěn)定的量子態(tài)，可以在非制冷的室溫下工作。同時(shí)，鉆石量子磁傳感器以其高空間分辨率、高靈敏度、高生物兼容性等技術(shù)優(yōu)勢，在近場微觀磁共振、磁異常探測、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
小型化、集成化、便攜化是鉆石量子傳感器取得實(shí)際應(yīng)用的重要條件。該團(tuán)隊(duì)基于晶圓級微機(jī)電工藝平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)，制備出鉆石量子磁傳感器的核心——鉆石芯片。芯片內(nèi)部集成了微波輻射結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了原位微波量子態(tài)操控。采用金屬熱壓鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆石單晶與硅晶圓的異質(zhì)集成，確保了機(jī)械穩(wěn)定性。鉆石芯片耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊，實(shí)現(xiàn)了“光進(jìn)光出”的工作模式，大大縮小了探頭尺寸，實(shí)現(xiàn)了鉆石磁強(qiáng)計(jì)探頭的高集成度。并進(jìn)一步指出，采用雙頻共振技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行磁場和溫度場的同步實(shí)時(shí)測量，不僅通過溫漂抑制提高了磁場測量的信噪比，還確保了傳感器的溫度穩(wěn)定性。
該團(tuán)隊(duì)提出的制備工藝可以在晶圓級進(jìn)行拓展，具有批量化制備的潛力，為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴傳感器陣列提供了可能性。目前鉆石量子磁傳感器整體尺寸僅有20×15×1.5 mm3，靈敏度達(dá)到2.03nT/√Hz。同時(shí)，該鉆石磁傳感器可以對小于0.5 mm（甚至更小）的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行近距離測量，具有在心磁、腦磁等弱磁信號探測場景的應(yīng)用潛力，為后續(xù)實(shí)用化的可穿戴生物磁傳感器提供了良好的研究基礎(chǔ)。
該論文的第一作者單位和通訊單位為中科院上海微系統(tǒng)所，第一作者為博士研究生謝非，通訊作者為武震宇研究員和陳浩副研究員。該工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDC07030200）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3202500）、中科院科研儀器裝備研制（YJKYYQ20190026）等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0089732
