近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用微納加工技術(shù)，制備了一種基于氮空位(NV)色心的微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器。相關(guān)成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters)。

上海微系統(tǒng)所制備出微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器，圖片來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

鉆石可以作為珠寶裝飾品，更是頗具研究?jī)r(jià)值的新型量子材料。氮空位缺陷，即氮-空位色心（NV色心），是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場(chǎng)中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行精密磁測(cè)量。

NV色心在常溫下具有穩(wěn)定量子態(tài)，可以在非制冷室溫下工作。同時(shí)，鉆石量子磁傳感器以其高空間分辨率、高靈敏度、高生物兼容性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在近場(chǎng)微觀磁共振、磁異常探測(cè)、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

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小型化、集成化、便攜化是鉆石量子傳感器取得實(shí)際應(yīng)用的重要條件。此次，前述團(tuán)隊(duì)基于晶圓級(jí)微機(jī)電工藝平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)，制備出鉆石量子磁傳感器的核心——鉆石芯片。芯片內(nèi)部集成微波輻射結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了原位微波量子態(tài)操控。研究采用金屬熱壓鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆石單晶與硅晶圓的異質(zhì)集成，確保機(jī)械穩(wěn)定性。鉆石芯片耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊，實(shí)現(xiàn)了“光進(jìn)光出”工作模式，縮小了探頭尺寸，實(shí)現(xiàn)了鉆石磁強(qiáng)計(jì)探頭的高集成度。

研究進(jìn)一步表明，采用雙頻共振技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的同步實(shí)時(shí)測(cè)量，不僅通過(guò)溫漂抑制提高了磁場(chǎng)測(cè)量的信噪比，并且確保了傳感器溫度的穩(wěn)定性。

研究人員提出的制備工藝可以在晶圓級(jí)進(jìn)行拓展，具有批量化制備的潛力，為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴傳感器陣列提供了可能性。目前，鉆石量子磁傳感器整體尺寸僅有20×15×1.5立方毫米(mm^3)，靈敏度達(dá)到2.03nT·Hz^(?1/2)（Hz為赫茲，nT為納特斯拉）。同時(shí)，該鉆石磁傳感器可以對(duì)小于0.5毫米（甚至更小）的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行近距離測(cè)量，具有在心磁、腦磁等弱磁信號(hào)探測(cè)場(chǎng)景的應(yīng)用潛力，為后續(xù)實(shí)用化的可穿戴生物磁傳感器奠定研究基礎(chǔ)。

前述工作獲得中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院科研儀器裝備研制項(xiàng)目等的支持。