基于金刚石中的氮空位中心的电泵浦的磁力计设备制造技术

本发明专利技术题为“基于金刚石中的氮空位中心的电泵浦的磁力计设备”。本发明专利技术提供了一种磁力计，该磁力计包括二极管结构，该二极管结构包括具有自由电子和自由电荷载流子的金刚石材料。电路耦接到二极管结构并且可操作以向二极管结构施加正向偏置电压。光学探测器可操作以在向二极管结构施加正向偏置电压之后收集和测量由二极管结构产生的电致发光。处理器耦接到光学探测器并且可操作以基于由二极管结构产生的所测量的电致发光来确定磁场。产生的所测量的电致发光来确定磁场。产生的所测量的电致发光来确定磁场。

【技术实现步骤摘要】
基于金刚石中的氮空位中心的电泵浦的磁力计设备

技术介绍

[0001]高灵敏度商业磁力计通常涉及复杂的设置，诸如用于超导量子干涉设备(SQUIDS)的低温装置或用于光学磁力计的光泵浦设置。基于金刚石中的氮空位(NV)中心的磁力计提供整合到电气或光子电路中的可能性，但当前设计依赖于以光学方式泵浦缺陷中心。除了复杂之外，光泵浦还可能是低效的。

技术实现思路

[0002]磁力计包括二极管结构，该二极管结构包括具有自由电子和自由电荷载流子的金刚石材料。电路耦接到二极管结构并且可操作以向二极管结构施加正向偏置电压。光学探测器可操作以在向二极管结构施加正向偏置电压之后收集和测量由二极管结构产生的电致发光。处理器耦接到光学探测器并且可操作以基于由二极管结构产生的所测量的电致发光来确定磁场。
附图说明
[0003]应当理解，附图仅示出了示例性实施方案，因此不应认为是限制本专利技术的范围，将通过附图的使用以附加特征和细节来描述示例性实施方案，其中：
[0004]图1是根据一个实施方案的磁力计设备的示意图；
[0005]图2是根据一个实施方案的二极管结构的示意图，该二极管结构可在图1的磁力计设备中实现；
[0006]图3是根据另一个实施方案的磁力计设备的示意图；
[0007]图4是根据另一个实施方案的二极管结构的示意图，该二极管结构可在图3的磁力计设备中实现；
[0008]图5是根据另一个实施方案的磁力计设备的示意图；
[0009]图6是根据另一个实施方案的二极管结构的示意图，该二极管结构可在图5的磁力计设备中实现；并且
[0010]图7是用于磁力计设备的示例性吸收性测量方案的能级图。
具体实施方式
[0011]在以下具体实施方式中，对实施方案进行了充分的描述，以使本领域的技术人员能够实践本专利技术。应当理解，在不脱离本专利技术的范围的情况下可利用其他实施方案。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
[0012]本文描述了基于金刚石中的氮空位(NV)中心的磁力计设备和方法。传统上，532nm的光已用于泵浦金刚石中的NV中心以产生磁敏荧光。本专利技术的方法用依赖于电荷载流子的电注入的泵浦方法代替传统的光泵浦方法。
[0013]为了将电荷载流子注入本专利技术的设备中，需要将金刚石制成二极管结构。电荷载流子被注入金刚石二极管结构中，使得缺陷NV中心捕集空穴(正电荷载流子)并且在被称为
电致发光的过程中发射光。缺陷NV中心还重新捕集电子以形成闭合循环。该捕集过程可被实现为磁场因变的，使得可从电致发光中找到磁场。
[0014]在一个实施方案中，采用在金刚石中制成的p
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n二极管结构。当该结构受到电激励时，在未配对的电子和空穴与缺陷NV中心重组的情况下，表现出电致发光。重组速率取决于缺陷的自旋态，并且因此在存在谐振微波场的情况下可对磁场敏感。在其他实施方案中，可在不施加微波场的情况下执行测量，诸如通过查看近零场或查看近电平交叉。
[0015]在一个具体实施中，可制得NV金刚石磁力计，其中NV中心的整体被电驱动并且以光学方式读出。该方法可导致以少量NV中心实现更高灵敏度。
[0016]在其他具体实施中，可测量二极管结构的电流。此电流对重组电流敏感，从而对处于基态的群体以及因此对磁场敏感。
[0017]本专利技术的方法可用于在无需激光器的情况下制造极小尺寸、重量和功率(SWAP)设备，并且可具有以可电切换的阵列图案化的许多传感器。可使用基于电泵浦的泵，这允许得到极低功耗、高度紧凑和高灵敏度磁力计。
[0018]下文结合附图描述了各种实施方案的更多细节。
[0019]图1是根据一个实施方案的磁力计设备100的示意图。磁力计设备100包括二极管结构110，该二极管结构包括具有自由电子和自由电荷载流子的金刚石材料114。在一个示例性实施方案中，二极管结构110包括金刚石材料114中的p
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n二极管结构。p
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n二极管结构在下文中进一步详细描述。
[0020]电路120耦接到二极管结构110并且可操作以向二极管结构110施加正向偏置电压。光学探测器130(诸如光电探测器)可操作以在向二极管结构110施加正向偏置电压之后测量由二极管结构110产生的电致发光。处理器140耦接到光学探测器130并且可操作以基于由二极管结构110产生的所测量的电致发光来确定磁场。
[0021]在磁力计设备100的操作期间，在由电路120施加正向偏置电压时，电荷载流子流入金刚石材料114的本征区中。在二极管结构110的金刚石晶格中，氮空位中心以预先在金刚石中生长或植入的若干电荷态存在。带负电的缺陷中心(NV
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)捕集电荷载流子(空穴)，并且在高激发态下转换成中性缺陷中心NV0。此态衰减并发射电致发光光子，该电致发光光子用光电探测器收集。对应的电信号随后从光电探测器发送到处理器，以确定特定位置处的磁场。
[0022]图2是根据一个示例性实施方案的p
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n二极管结构200的示意图，其可在本专利技术的磁力计设备中实现。p
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n二极管结构200包括具有NV中心的金刚石基底204。p型区210形成于金刚石基底204的一部分中，并且n型区220形成于金刚石基底204的另一部分中。金刚石基底204的剩余部分包括位于p型区210与n型区220之间的高纯度本征金刚石区230。
[0023]p
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n二极管结构200可使用标准微制造技术形成。金刚石基底204可掺杂有受体掺杂剂材料，诸如硼。这在金刚石基底204中形成p型区210。金刚石基底204还可掺杂有供体掺杂剂材料，诸如磷。这在金刚石基底204中形成n型区220。p型区210和n型区220可在本征金刚石区230的任一侧上形成。
[0024]在其他实施方案中，金刚石二极管结构可为p
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n结、肖特基二极管或其他晶体管类型的设备，如下文进一步所述。
[0025]图3是根据另一个实施方案的磁力计设备300的示意图。磁力计设备300包括二极
管结构310，该二极管结构包括具有自由电子和自由电荷载流子的金刚石材料314。在一个示例性实施方案中，二极管结构310包括金刚石材料314中的p
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n二极管结构，诸如上文所述。电路320耦接到二极管结构310并且可操作以向二极管结构310施加正向偏置电压。
[0026]磁力计设备300还包括可操作以将微波场引导至二极管结构310的微波设备324。微波设备324可操作以将微波场引导至二极管结构310以驱动磁敏自旋级之间的跃迁，使得可确定磁场。
[0027]光学探测器330(诸如光电探测器)可操作以在向二极管结构310施加正向偏置电压和微波场之后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁力计，所述磁力计包括：二极管结构，所述二极管结构包括具有自由电子和自由电荷载流子的金刚石材料；电路，所述电路耦接到所述二极管结构并且可操作以向所述二极管结构施加正向偏置电压；光学探测器，所述光学探测器可操作以在向所述二极管结构施加所述正向偏置电压之后收集和测量由所述二极管结构产生的电致发光；和处理器，所述处理器耦接到所述光学探测器并且可操作以基于由所述二极管结构产生的所测量的电致发光来确定磁场。2.一种操作根据权利要求1所述的磁力计的方法，所述方法包括：向所述二极管结构施加所述正向偏置电压，使得所述自由电荷载流子流入所述金刚石材料的本征区中；在所述光学探测器中收集由所述二极管结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼尔，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：