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科研人員制備出微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器
來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 發(fā)表于 2022/11/7

近日,中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國(guó)家實(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。5月9日,相關(guān)研究成果以Amicrofabricatedfiber-integrated diamond magnetometer with ensemble nitrogen-vacancy centers為題,發(fā)表在Applied Physics Letters上。   


鉆石可以作為珠寶裝飾品,更是頗具研究?jī)r(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)中常見(jiàn)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(chǎng)中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行磁測(cè)量。NV色心在常溫下具有穩(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(shì),在近場(chǎng)微觀磁共振、磁異常探測(cè)、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(jí)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。研究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,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。研究進(jìn)一步表明,采用雙頻共振技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的同步實(shí)時(shí)測(cè)量,不僅通過(guò)溫漂限制提高了磁場(chǎng)測(cè)量的信噪比,而且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(jí)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(duì)小于0.5 mm(甚至更。┑哪繕(biāo)區(qū)域進(jìn)行近距離測(cè)量,具有在心磁、腦磁等弱磁信號(hào)探測(cè)場(chǎng)景的應(yīng)用潛力,這為后續(xù)實(shí)用化的可穿戴生物磁傳感器奠定了良好的研究基礎(chǔ)。  


研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家研發(fā)計(jì)劃、中科院科研儀器裝備研制項(xiàng)目等的支持。 

上海微系統(tǒng)所制備出微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器


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