一种基于金刚石NV色心的温度传感器及温度测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及温度传感技术领域，尤其涉及一种基于金刚石NV色心的温度传感器及温度测量装置，该温度传感器包括：具有NV色心的金刚石基板；金刚石基板的一侧表面布设有周期性微纳米金属结构，构成金刚石超表面，用于增强637nm波长等离子体信号。本发明专利技术利用金刚石超表面激发表面等离子体场来增强金刚石NV色心发光强度，能够实现对温度的精准探测。能够实现对温度的精准探测。能够实现对温度的精准探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石NV色心的温度传感器及温度测量装置


[0001]本专利技术涉及温度传感
，尤其涉及一种基于金刚石NV色心的温度传感器及温度测量装置、制造方法。

技术介绍

[0002]温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中重要的测量参数。温度的测量及控制，对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、保障生产安全和促进国民经济发展起到非常重要的作用。温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器，由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50％。但现有的温度传感器所使用的基本概念还是基于经典物理层面，随着技术的不断成熟，进一步提高这些温度传感器的技术指标变得非常困难。
[0003]内含NV色心的金刚石材料具有测量灵敏度高、物理化学性质稳定、工作温度范围大等特点，已成为一种热门的固态量子材料。金刚石中的氮空位中心(即NV色心)具有独特的自旋特性，且其电子自旋受周围环境如温度的影响，因此可通过探测NV色心的电子自旋态实现对温度的精密测量。在外加激光、微波和给定磁场的多物理场的作用下，通过测量NV色心发出的荧光强弱变化可以实现温度测量。但是，受到金刚石NV色心的制备技术及浓度限制，金刚石NV色心的受激发光强度通常较弱，因此难以用来实现具有较高的信噪比、灵敏度和测量精度的敏感元件。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种金刚石NV色心受激发光强度高，可实现对温度的精准探测的温度传感器。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于金刚石NV色心的温度传感器，包括：
[0006]具有NV色心的金刚石基板；
[0007]所述金刚石基板的一侧表面布设有周期性微纳米金属结构，构成金刚石超表面，用于增强637nm波长等离子体信号。
[0008]可选地，所述金刚石基板的内部还开设有流道，用于散热。
[0009]可选地，所述周期性微纳米金属结构由阵列式排布的凸起构成。
[0010]可选地，所述周期性微纳米金属结构由网栅构成。
[0011]本专利技术还提供了一种基于金刚石NV色心的温度测量装置，包括：
[0012]如上述任一项所述的温度传感器。
[0013]可选地，所述的温度测量装置还包括：光学系统和微波系统；
[0014]所述光学系统用于向所述温度传感器中的金刚石基板提供激发NV色心的激光，以及接收NV色心发射的荧光；
[0015]所述微波系统用于向所述金刚石基板提供对应NV色心共振频率的微波射频场。
[0016]可选地，所述的温度测量装置还包括：散热系统，用于为所述金刚石基板降温。
[0017]可选地，所述光学系统和所述微波系统设于所述周期性微纳米金属结构同侧，与所述金刚石基板之间形成谐振腔。
[0018]可选地，所述光学系统和所述微波系统均与所述温度传感器集成一体化装配。
[0019]本专利技术还提供了一种基于金刚石NV色心的温度传感器制造方法，用于制造如上述任一项所述的温度传感器，包括如下步骤：
[0020]通过微波辅助的化学气相沉积法生长金刚石基板，在金刚石生长过程中加入氮气，形成氮空位缺陷；
[0021]在所述金刚石基板上制备周期性微纳米金属结构。
[0022]本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供了一种基于金刚石NV色心的温度传感器及温度测量装置、制造方法，本专利技术在具有NV色心的金刚石基板一侧表面布设周期性微纳米金属结构，构成金刚石超表面，利用金刚石超表面激发表面等离子体场来增强金刚石NV色心发光强度，从而实现对温度的精准探测。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例中一种基于金刚石NV色心的温度传感器结构示意图；
[0024]图2是本专利技术实施例中一种基于金刚石NV色心的温度测量装置结构示意图。
[0025]图中：1：光学系统；2：谐振腔；3：金刚石基板；4：流道入口；5：微波系统；6：周期性微纳米金属结构；7：流道出口；8：流道。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]如图1所示，本专利技术实施例提供的一种基于金刚石NV色心的温度传感器，包括：具有NV色心的金刚石基板3；金刚石基板3的一侧表面布设有周期性微纳米金属结构6，构成金刚石超表面，用于增强637nm波长等离子体信号。
[0028]当金刚石基板3中的NV色心受到激光激发时，会发射波长为637nm的零声子线以及637～700nm宽谱范围的声子边带，本专利技术在金刚石表面制备周期性微纳米金属结构6，构成具有局域等离子共振效果的金刚石超表面，用于激发表面等离子体近场，由于局域等离子体共振，637nm波长等离子体信号会增强，使得NV色心受激发射的荧光可以更加灵敏地被探测到，从而达到增强金刚石NV色心传感信号的目的，进而提高温度测量的信噪比、灵敏度与测量精度，实现对温度的精准探测。
[0029]可选地，金刚石基板3的内部还开设有流道8，用于散热。流道8优选开设在与金刚石基板3表面平行的内部切面内，对金刚石基板3进行均匀散射。考虑到金刚石具有高热导率的特点，通过开设流道8，可进一步使得金刚石基板3具有高效散热功能。
[0030]周期性微纳米金属结构用于激发表面等离子体近场，其材料可为金、银、铝、铂金等金属导电材料。
[0031]可选地，如图1所示，金刚石基板3表面的周期性微纳米金属结构6由阵列式排布
的、凸出于表面的孤岛式凸起构成，单个凸起可为长方体、圆柱或球。单个凸起的具体形态及尺寸可参考现有技术，在此不再进一步限定。
[0032]可选地，金刚石基板3表面的周期性微纳米金属结构6也可由网栅构成，相对于阵列式排布的凸起，网栅结构中不存在孤立的金属结构，但同样可以实现NV色心荧光信号的增强。网栅栅格的具体形态及尺寸可参考现有技术，在此不再进一步限定。
[0033]进一步地，金刚石基板3表面的周期性微纳米金属结构6还可由多个不同的周期性单元拼接组成，每个周期性单元可由阵列式排布的凸起构成，或由网栅构成。不同的周期性单元具体结构可以不同，但应都具有对NV色心荧光信号的增强功能。
[0034]本专利技术还提供了一种基于金刚石NV色心的温度测量装置，包括至少一个如上述任一项实施方式所述的温度传感器。
[0035]可选地，如图2所示，该温度测量装置还包括光学系统1和微波系统5；光学系统1用于向温度传感器中的金刚石基板3提供激发NV色心的激光，以及接收金刚石基板3中NV色心受激发射的荧光；微波系统5用于向金刚石基板3提供对应NV色心共振频率的微波射频场。
[0036]光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石NV色心的温度传感器，其特征在于，包括：具有NV色心的金刚石基板；所述金刚石基板的一侧表面布设有周期性微纳米金属结构，构成金刚石超表面，用于增强637nm波长等离子体信号。2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述金刚石基板的内部还开设有流道，用于散热。3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述周期性微纳米金属结构由阵列式排布的凸起构成。4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述周期性微纳米金属结构由网栅构成。5.一种基于金刚石NV色心的温度测量装置，其特征在于，包括：如权利要求1
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4任一项所述的温度传感器。6.根据权利要求5所述的温度测量装置，其特征在于，还包括：光学系统和微波系统；所述光学系统用于向所述温度传感器中的金刚石基板提供激发NV色心的激光，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐梁格，张森，杨磊，刘康，赵继文，代兵，韩杰才，朱嘉琦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：