In de handel verkrijgbare diamanten tips die worden gebruikt in atomaire krachtmicroscopie (AFM) kunnen helpen om detectie op kwantum nanoschaal kosteneffectief en praktisch te maken, A * STAR-onderzoekers hebben gevonden.

Het idee om 'kleurcentra' te gebruiken, optisch actieve atoomdefecten in diamant, als een sonde voor het nemen van zeer gevoelige nanoschaalmetingen van grootheden zoals elektromagnetische velden, temperatuur, of stam is welbekend. In praktijk, echter, deze experimenten vereisten vaak de dure fabricage van op maat ontworpen diamanten nanostructuren en het is een uitdaging om het zeer zwakke optische signaal te verzamelen dat de kleurcentra produceren.

Nutsvoorzieningen, een recente studie gepubliceerd door Victor Leong, en collega's van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering, en het Instituut voor High Performance Computing, suggereert dat het gebruik van commerciële piramidevormige diamanten AFM-tips die siliconen vacaturecentra bevatten - zou kunnen helpen. De aanpak heeft verschillende voordelen.

Ten eerste, De experimenten van het team met een confocale microscoop en diamantpunten die in verschillende oriëntaties zijn gerangschikt, tonen aan dat de piramidevorm van de diamantpunt werkt als een zeer efficiënte verzamelaar van de zwakke infrarood (738 nanometer) fotoluminescentie die wordt gegenereerd door het kleurencentrum. Door geometrische effecten, een groter deel van de uitgezonden fotoluminescentie werd naar de basis van de piramide geleid, wat resulteert in een signaal dat tot acht keer sterker is dan in andere richtingen. In de experimenten, de basis van de punt was bevestigd aan een cantilever van siliciumnitride, transparant voor het infraroodlicht, zodat de fotoluminescentie kon passeren en worden verzameld door een spectrofotometer.

"In veel nanosensing-toepassingen het signaal is inherent erg zwak en dit vormt een fundamentele grens aan de gevoeligheid, ", legt Leong uit. "De mogelijkheid om een ​​groter signaal te verzamelen en te detecteren, verbetert veel prestatiestatistieken, zoals een minimaal detecteerbaar signaal, resolutie en meettijd, bijvoorbeeld."

Ten tweede, deze diamanten tips zijn in de handel verkrijgbaar en compatibel met AFM- en microscoopapparatuur, het bieden van een weg naar praktische implementatie. "Deze kant-en-klare diamanten AFM-tips zijn gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop. Ze kosten ongeveer SGD 100 per stuk, " merkte Leong op. "Als ze kleurcentra met geschikte optische eigenschappen bevatten, ze kunnen een goedkope vervanging zijn voor andere diamanten nanosondes. De lagere kosten en gemakkelijke beschikbaarheid kunnen de snelle ontwikkeling en acceptatie van kwantumtechnologische toepassingen helpen bevorderen."

Het extreem kleine formaat van de diamanten tips, die een tipstraal hebben van ongeveer 10 nanometer en een lengte van ongeveer 15 micrometer, betekent dat ze zeer dicht bij het te onderzoeken monster kunnen worden gebracht, het maximaliseren van de meetgevoeligheid en ruimtelijke resolutie. "Deze diamanten tips kunnen mogelijk worden gebruikt in detectietoepassingen die moeilijk uit te voeren zijn met andere diamantstructuren, bijvoorbeeld, het in kaart brengen van de elektromagnetische eigenschappen van diepe greppels of de ruimte rond dicht op elkaar liggende nanostructuren, " merkte Leon op.

Daten, het team heeft zich gericht op het onderzoeken van diamantpunten met kleurcentra voor lege plekken in silicium, maar Leong zegt dat het ook mogelijk is om kleurcentra voor lege plekken met stikstof te introduceren, die populair zijn in magnetometriestudies. "De partij diamantpunten die in de paper1 wordt besproken, werd vervaardigd in een nominaal stikstofvrij proces en had dus veel leegstandscentra voor silicium, maar heel weinig leegstandscentra voor stikstof. " legde Leong uit. "Echter, andere afzonderlijke partijen diamanttips die we hebben verkregen, bevatte hoge concentraties stikstof-leegstandscentra."

Nu het team heeft aangetoond dat verbeterde optische uitlezing mogelijk is vanaf de diamantpunten, de volgende fase van het onderzoek zal zijn om de prestaties te optimaliseren en vervolgens enkele daadwerkelijke detectie-experimenten uit te voeren. "We zijn van plan deze tips in praktische nanosensing-toepassingen in te zetten. Huidige ideeën omvatten magnetische sensing op nanoschaal en oppervlaktestudies, " zei Leon.