中科院制备出微型光电一体化集成钻石量子磁传感器
2022-05-14 10:26:19

近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室采用微纳加工技术,制备了一种基于氮空位(NV)色心的微型光电一体化集成钻石量子磁传感器。相关成果发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)。

上海微系统所制备出微型光电一体化集成钻石量子磁传感器,图片来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所

钻石可以作为珠宝装饰品,更是颇具研究价值的新型量子材料。氮空位缺陷,即氮-空位色心(NV色心),是钻石晶体结构中常见的点缺陷,由氮原子取代碳原子和相邻空穴而形成,利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可进行精密磁测量。

NV色心在常温下具有稳定量子态,可以在非制冷室温下工作。同时,钻石量子磁传感器以其高空间分辨率、高灵敏度、高生物兼容性等技术优势,在近场微观磁共振、磁异常探测、生命科学等领域具有重要应用前景。

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小型化、集成化、便携化是钻石量子传感器取得实际应用的重要条件。此次,前述团队基于晶圆级微机电工艺平台,利用标准微纳加工技术,制备出钻石量子磁传感器的核心——钻石芯片。芯片内部集成微波辐射结构,实现了原位微波量子态操控。研究采用金属热压键合技术,实现了钻石单晶与硅晶圆的异质集成,确保机械稳定性。钻石芯片耦合带有梯度变化折射率透镜的光纤模块,实现了“光进光出”工作模式,缩小了探头尺寸,实现了钻石磁强计探头的高集成度。

研究进一步表明,采用双频共振技术可以同时进行磁场和温度场的同步实时测量,不仅通过温漂抑制提高了磁场测量的信噪比,并且确保了传感器温度的稳定性。

研究人员提出的制备工艺可以在晶圆级进行拓展,具有批量化制备的潜力,为建立高一致性、高灵敏度的可穿戴传感器阵列提供了可能性。目前,钻石量子磁传感器整体尺寸仅有20×15×1.5立方毫米(mm^3),灵敏度达到2.03nT·Hz^(?1/2)(Hz为赫兹,nT为纳特斯拉)。同时,该钻石磁传感器可以对小于0.5毫米(甚至更小)的目标区域进行近距离测量,具有在心磁、脑磁等弱磁信号探测场景的应用潜力,为后续实用化的可穿戴生物磁传感器奠定研究基础。

前述工作获得中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、中科院科研仪器装备研制项目等的支持。

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