利用優(you) 化的金剛石探針實現卓越的納米級傳(chuan) 感和成像。

從(cong) 生物學領域的微生物發現到物理學領域的原子成像，顯微成像提高了我們(men) 對世界的認識，並對許多科學進步作出了貢獻。現在，隨著自旋電子學和微型磁性器件的出現，越來越需要納米尺度的成像來探測物質的量子性質，如電子自旋、鐵磁體(ti) 中的磁疇結構和超導體(ti) 中的磁渦。

使用掃描NV探頭對磁帶中的磁疇結構進行成像。通過FIB銑削加工製作的金剛石NV中心探頭的掃描顯示了磁帶磁疇結構的成像。來源：Toshu An from JAIST.

通常，這是通過補充標準顯微鏡技術（如掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡（AFM））和磁性傳(chuan) 感器來實現的，以創建“掃描磁測探針”，從(cong) 而實現納米級成像和傳(chuan) 感。然而，這些探針通常需要超高真空條件、極低溫度，並且空間分辨率受到探針尺寸的限製。

在這方麵，金剛石中的氮空位（NV）中心（金剛石結構中的缺陷，由與(yu) 缺失原子產(chan) 生的“空位”相鄰的氮原子形成）受到了極大的關(guan) 注。事實證明，NV對可以與(yu) AFM結合以完成局部磁成像，並且可以在室溫和壓力下工作。然而，這些探針的製造涉及複雜的技術，不允許對探針形狀和尺寸進行太多控製。

（a）掃描金剛石NV探針的製造程序說明：（i）將14N+離子注入金剛石基底，（ii）將大塊金剛石激光切割成棒狀，（iii）將金剛石棒粘合到石英音叉AFM探針的頂端，和（iv）具有內(nei) 徑（Ri）和外徑（Ro）的圓環形纖維銑削工藝，以製造微柱。掃描金剛石NV探頭的側(ce) 視圖（c）和俯視圖（d）的光學（b）和SEM圖像。

在日本高級科學技術研究所（JAIST）副教授Toshu An和JAIST博士生Yuta Kainuma領導的一項新研究中，日本與(yu) 京都大學和國家高級工業(ye) 科學技術研究所的研究人員合作解決(jue) 了這一問題，使用激光切割和聚焦離子束（FIB）加工相結合的新技術製造NV承載金剛石探針，該技術可實現高度的加工自由度和對探針形狀的控製。這篇論文於(yu) 2021年12月28日發表在《Applied Physics》上。

首先，研究小組通過向塊狀金剛石中注入氮離子，在其中創建了N-V中心。接下來，他們(men) 拋光對麵，用激光切割製作出多個(ge) 棒狀工件。他們(men) 將其中一根金剛石棒連接到AFM探針的尖端，並使用FIB處理將金剛石棒的前表麵變成最終的探針形狀。“FIB使用镓離子來塑造探針。然而，這些離子會(hui) 在金剛石結構中產(chan) 生空位，從(cong) 而改變NV缺陷的電荷狀態。為(wei) 了避免這種情況，我們(men) 在探針中心周圍使用了一種甜甜圈形狀的銑削模式，以防對NV中心造成任何損壞，”An博士解釋道。最後的探針是一個(ge) 微柱，由103個(ge) NV中心組成，直徑為(wei) 1.3µm，長度為(wei) 6µm。

（a）結合共焦掃描激光顯微鏡和掃描NV探針石英AFM的實驗配置。（b）磁帶樣品的三維地形AFM圖像。通過金絲(si) （φ）將微波引入掃描金剛石NV探針 = 25 μm）在麵內(nei) 外磁場Hext下覆蓋在樣品上 = 5.2 mT.（c）金剛石探針中NV中心（NV1–NV4）量子軸的側(ce) 視圖和俯視圖。

利用該探針，研究小組對磁帶中的周期性磁疇結構進行了成像。An博士解釋說：“我們(men) 通過映射固定微波頻率下的光致發光強度和光學檢測到的磁共振光譜中的共振頻率，從(cong) 磁疇結構中成像了雜散磁場。”。

該團隊樂(le) 觀地認為(wei) ，新的製造方法將擴大量子成像探針的適用性。他們(men) 認為(wei) ，近年來，人們(men) 一直在尋求開發新設備，以解決(jue) 環境和能源問題，實現人類社會(hui) 的可持續繁榮。量子測量和傳(chuan) 感技術有望在未來徹底改革支持社會(hui) 基礎設施的係統。因此，他們(men) 的製備技術“將有助於(yu) 推動實現納米級量子成像的努力”。

掃描鑽石探針的光學（a）和PL（b）俯視圖圖像。探針位置由白色虛線圓圈標記，其中顯示最大PL強度，如線形圖所示。（c） NV金剛石探頭的PL強度（實線），作為(wei) 激光聚焦z位置的函數。顯示了用Savitzky–Golay（實心圓）過濾的PL數據的一階導數和用四階多項式擬合的曲線（紅色實線）。已設置安裝的最大位置（藍色實線）以跟蹤NV探頭z位置。（d）在不同焦點位置觀察到的光學俯視圖像。（e）金剛石探針的NVs（NV1–NV4）量子軸的相對坐標，傾(qing) 斜於(yu) 從(cong) （d）推斷出的磁性樣品。

來源：Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by lasercutting and focused ion beam milling, Journal of Applied Physics (2021). DOI:10.1063/5.0072973