金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜制造技术

技术编号:19514450 阅读:17 留言:0更新日期:2018-11-21 09:43
本实用新型专利技术涉及一种金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜。其中,金刚石纳米全光学磁场传感器包括:含有氮‑空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。

【技术实现步骤摘要】
金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜
本技术属于纳米传感领域,主要应用于全光学磁场测量,适合电磁环境复杂、高电压等特殊环境感应磁场测量等方面,具体的涉及金刚石纳米全光学磁场传感器,还涉及包含氮-空位色心的金刚石纳米结构的探针,还进一步涉及含有上述探针的原子力显微镜。
技术介绍
纳米传感器即是形状大小或者灵敏度达到纳米级,或者传感器与待检测物质或物体之间的相互作用距离是纳米级的。利用纳米技术制作的传感器,尺寸减小、精度提高、性能大大改善,纳米传感器是站在原子尺度上,从而极大地丰富了传感器的理论,推动了传感器的制作水平,拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。目前的纳米金刚石磁场纳米成像技术,主要利用附着在原子力显微镜(AFM)探针上的含氮-空位色心(NV)的纳米金刚石颗粒,采用光学读取电子自旋共振技术(ODMR),来对待测物进行纳米级高精密磁场成像。而ODMR技术中,重要的一个条件是需要引入微波来操作NV中的电子自旋。然而这一条件的引入,导致无法实现全光学的磁场传感技术。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此,本技术的目的在于提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器、探针及原子力显微镜,以至少部分解决以上所述的技术问题。(二)技术方案根据本技术的一方面,提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器,包括:含有氮-空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。在进一步的实施方案中,所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡;所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。在进一步的实施方案中,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构材料为纳米颗粒或纳米线。在进一步的实施方案中,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置于一金刚石基底上,所述金刚石基底为单晶或多晶材料。在进一步的实施方案中,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构中含单个氮-空位色心或者阵列式排布的多个氮-空位色心。根据本技术的又一方面,提供一种含有氮-空位色心的金刚石纳米探针,包括:含有氮-空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度。在进一步的实施方案中,所述探针中安装有单个含氮-空位色心的纳米金刚石;或者所述探针含有多个含氮-空位色心的纳米金刚石,且多个含氮-空位色心的纳米金刚石呈阵列式排布。在进一步的实施方案中,所述探针具有一金刚石基底,含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置该基底上。根据本技术的再一方面,提供一种原子力显微镜,包括:以上任意一种探针,配置为可以靠近磁场,在接收的光照维持不变且磁场变化时荧光寿命和光致发光强度产生变化;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。在进一步的实施方案中,所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡;所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡相较于传统的纳米金刚石磁场传感技术,本技术展示的这种利用金刚石NV缺陷在磁场中的光致发光改变和寿命改变的传感方法显然可以避免引入外部微波辐射和相关的微波器件,大大简化了设备组装以及相关设备成本;可以进一步利用本技术技术来实现设备微型化和核心器件集成化,例如将含有氮-空位色心的金刚石纳米结构和光致发光检测器件以及荧光寿命检测器件集成,为光纤全光学磁场传感器奠定了技术基础。附图说明图1是本技术实施例的物理原理NV在无外磁场B存在下的能级系统与微波操控模型示意图;图2A和图2B分别是本技术实施例的物理原理NV在没有和有外磁场B存在下的七能级系统对比模型示意图;图3是本技术实施例的重要物理结论示意图,图3上部分显示NV的寿命随磁场增大而减小,图3下部分显示光致发光强度随磁场增大而减小;图4是本技术实施例的含有单个NV的金刚石纳米线探针阵列的微纳加工工艺示意图;图5是本专利技术实施例的一种探针式应用装置图;图6a是本专利技术实施例的荧光光强与磁场关系的示意图;图6b是本专利技术实施例的荧光寿命与磁场关系的示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本技术作进一步的详细说明。本技术的优点以及功效将通过本技术所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改,且组件的配置可能更为复杂。本技术中也可进行其他方面的实践或应用,且不偏离本技术所定义的精神及范畴的条件下,可进行各种变化以及调整。根据现有的纳米金刚石磁场传感技术,需要引入微波来操作NV中的电子自旋,然而这一条件的引入,导致无法实现全光学的磁场传感技术。本技术的基本构思在于,利用纳米荧光结构——金刚石中的NV色心实现全光学磁场传感和方法,使用全光学磁场测量技术,消除了一些器件结构复杂度,可以避免引入外部微波辐射和相关的微波器件。根据本技术实施例的一方面,提供一种金刚石纳米全光学磁场传感器,包括:含有氮-空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。在一些实施例中,所述光致发光检测器件包括包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡。在一些实施例中,所述荧光寿命检测器件包包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。本技术实施例可以应用于的材料有:含有NV的金刚石纳米结构材料(纳米颗粒、纳米线等)及含有NV的金刚石单晶或多晶块状材料,以及它们各种含有金刚石NV色心基本结构的衍生物或微纳加工结构。本技术实施例利用如下原理:i)金刚石中带负电荷的氮-空位色心(NV)缺陷是由与金刚石相邻晶格位置中的空位(V)相关联的替代氮原子(N)组成,具有C3v对称结构,对称轴在氮原子——空位连线上,其中空位捕获电子。在外磁场条件下,这种NV缺陷的光诱导自旋极化和自旋相关光致发光(PL)会变得低效,可以使用NV缺陷光学响应来提取关于该场的磁场的信息。又因为NV色心的晶格结构最小尺寸~0.5nm,所以可以用于纳米传感领域。以单个NV为例,如图1,利用532m的毫秒脉冲光将块状金刚石中NV色心、自旋极化到ms=0的激发态,然后施加微波半周期脉冲;使激发态由ms=0翻转到ms=±1,然后再进行荧光寿命测量。多次测量到的激发态ms=0的寿命为12.0ns,而激发态ms=±1的寿命为7.8ns,寿命差异主要是由于ms=±1向亚稳态的非辐射跃迁过程导致的。如图2A和图2B所示,把NV模型考虑为七能级系统。因为各个能级(包含劈裂能级和中间态能级)的能级寿命和荧光发射强度的不同。在外部激光等条件不变,仅改变磁场的情况下,外部磁场会造成NV电子能级布局数改变(激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于包括:含有氮‑空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于包括:含有氮-空位色心的金刚石纳米结构,配置为在不同的磁场下改变荧光寿命和光致发光强度;光致发光检测器件和/或荧光寿命检测器件,所述光致发光检测器件配置为检测所述荧光寿命,荧光寿命检测器件配置为检测所述光致发光强度。2.根据权利要求1所述的金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于,所述光致发光检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器和高速数字采集卡;所述荧光寿命检测器件包括雪崩二极管、单光子计数器、脉冲信号发生器和高速数字采集卡。3.根据权利要求1所述的金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构材料为纳米颗粒或纳米线。4.根据权利要求1所述的金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构设置于一金刚石基底上,所述金刚石基底为单晶或多晶材料。5.根据权利要求1所述的金刚石纳米全光学磁场传感器,其特征在于,所述含有氮-空位色心的金刚石纳米结构中含单个氮-空位色心或者阵列式排布的多个氮-...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙方稳陈向东李燊赵博文郭光灿
申请(专利权)人:中国科学技术大学
类型:新型
国别省市:安徽,34

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1