中科院製備出微型光電一體化集成鑽石量子磁感測器

近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所感測技術國家重點實驗室採用微納加工技術,製備了一種基於氮空位(NV)色心的微型光電一體化集成鑽石量子磁感測器。相關成果發表在《應用物理快報》(Applied Physics Letters)。

上海微系統所製備出微型光電一體化集成鑽石量子磁感測器,圖片來自中國科學院上海微系統與信息技術研究所

鑽石可以作為珠寶裝飾品,更是頗具研究價值的新型量子材料。氮空位缺陷,即氮-空位色心(NV色心),是鑽石晶體結構中常見的點缺陷,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及熒光輻射特性可進行精密磁測量。

NV色心在常溫下具有穩定量子態,可以在非製冷室溫下工作。同時,鑽石量子磁感測器以其高空間解析度、高靈敏度、高生物兼容性等技術優勢,在近場微觀磁共振、磁異常探測、生命科學等領域具有重要應用前景。

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小型化、集成化、便攜化是鑽石量子感測器取得實際應用的重要條件。此次,前述團隊基於晶圓級微機電工藝平台,利用標準微納加工技術,製備出鑽石量子磁感測器的核心——鑽石晶元。晶元內部集成微波輻射結構,實現了原位微波量子態操控。研究採用金屬熱壓鍵合技術,實現了鑽石單晶與矽晶圓的異質集成,確保機械穩定性。鑽石晶元耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊,實現了「光進光出」工作模式,縮小了探頭尺寸,實現了鑽石磁強計探頭的高集成度。

研究進一步表明,採用雙頻共振技術可以同時進行磁場和溫度場的同步實時測量,不僅通過溫漂抑制提高了磁場測量的信噪比,並且確保了感測器溫度的穩定性。

研究人員提出的製備工藝可以在晶圓級進行拓展,具有批量化製備的潛力,為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴感測器陣列提供了可能性。目前,鑽石量子磁感測器整體尺寸僅有20×15×1.5立方毫米(mm^3),靈敏度達到2.03nT·Hz^(−1/2)(Hz為赫茲,nT為納特斯拉)。同時,該鑽石磁感測器可以對小於0.5毫米(甚至更小)的目標區域進行近距離測量,具有在心磁、腦磁等弱磁信號探測場景的應用潛力,為後續實用化的可穿戴生物磁感測器奠定研究基礎。

前述工作獲得中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、中科院科研儀器裝備研製項目等的支持。

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