Een stikstof-vacancy (NV) centrum is een defect in de kristalstructuur van diamant, waarbij een stikstofatoom een ​​koolstofatoom in het diamantrooster vervangt en een aangrenzende plaats in het rooster leeg is. Deze en andere fluorescerende defecten in diamant, bekend als kleurcentra, hebben de aandacht van onderzoekers getrokken vanwege hun kwantumeigenschappen, zoals de emissie van enkele fotonen bij kamertemperatuur en met een lange coherentietijd. Hun vele toepassingen omvatten de codering en verwerking van kwantuminformatie en celmarkering in biologische studies.

Microfabricage in diamant is technisch moeilijk, en nanodiamanten met kleurcentra zijn ingebed in op maat ontworpen structuren als een manier om deze kwantumstralers in fotonische apparaten te integreren. Een onderzoek uitgevoerd aan het São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië heeft hiervoor een methode ontwikkeld, zoals beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nanomaterials .

"We hebben een methode gedemonstreerd voor het inbedden van fluorescerende nanodiamanten in microstructuren die voor dit doel zijn ontworpen, met behulp van twee-fotonenpolymerisatie [2PP]", vertelde Cleber Mendonça, professor bij IFSC-USP en laatste auteur van het artikel, aan Agência FAPESP. "We hebben de ideale concentratie nanodiamant in de fotoresist bestudeerd om structuren te verkrijgen met ten minste één fluorescerend NV-centrum en een goede structurele en optische kwaliteit." De fotoresist is een lichtgevoelig materiaal dat wordt gebruikt in het fabricageproces om patronen op nanoschaal over te brengen op het substraat.

Mendonça en zijn groep hebben uitgebreid gebruik gemaakt van 2PP om driedimensionale microstructuren te vervaardigen. Simpel gezegd is 2PP een directe laserschrijftechniek waarbij een laserstraal met hoge intensiteit wordt gefocusseerd op een lichtgevoelige polymeerhars die nog niet is uitgehard om de gewenste microstructuur te produceren.

In het onderzoek werd een nanodiamantoplossing in gedeïoniseerd water toegevoegd aan het mengsel van monomeren waaruit de fotoresist bestond, en nadat alle vereiste fysisch-chemische procedures waren voltooid, werd microfabricage uitgevoerd door het monster te onderwerpen aan pulsen van een krachtige titanium-saffierlasergestuurde door speciale software om de exacte coördinaten van de straal te definiëren.

"Fluorescentie- en Raman-spectroscopiemetingen werden gebruikt om de aanwezigheid en locatie van de nanodiamanten te bevestigen, terwijl absorptiemetingen verstrooiingsverliezen bij hogere concentraties beoordeelden. Onze resultaten tonen de haalbaarheid aan van het fabriceren van microstructuren ingebed in fluorescerende nanodiamanten via 2PP voor toepassingen op het gebied van fotonica en kwantumtechnologie," schrijven de auteurs in het artikel.

De studie was onderdeel van de Ph.D. onderzoek van eerste auteur Filipe Assis Couto, met Mendonça als scriptieadviseur.

Meer informatie: Filipe A. Couto et al, Fluorescerende nanodiamanten integreren in polymere microstructuren vervaardigd door polymerisatie met twee fotonen, Nanomaterialen (2023). DOI:10.3390/nano13182571

Geleverd door FAPESP