Kommersiellt tillgängliga diamantspetsar som används i atomkraftsmikroskopi (AFM) kan hjälpa till att göra kvantnanoskala avkänning kostnadseffektivt och praktiskt, A*STAR -forskare har funnit.

Idén med att använda "färgcentra", optiskt aktiva atomdefekter i diamant, som en sond för att göra mycket känsliga nanoskala mätningar av mängder såsom elektromagnetiskt fält, temperatur, eller stam är välkänd. I praktiken, dock, dessa experiment krävde ofta den dyra tillverkningen av specialdesignade diamantnanostrukturer och det är en utmaning att samla in den mycket svaga optiska signalen som färgcentren producerar.

Nu, en ny studie publicerad av Victor Leong, och kollegor från A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering, och Institute of High Performance Computing, föreslår att användning av kommersiella pyramidformade diamant-AFM-spetsar som innehåller vakanscentra i kisel-kan hjälpa. Tillvägagångssättet har flera fördelar.

För det första, lagets experiment med ett konfokalt mikroskop och diamantspetsar arrangerade i olika riktningar visar att diamantspetsens pyramidform fungerar som en mycket effektiv samlare av den svaga infraröda (738 nanometer) fotoluminescensen som genereras av färgcentret. På grund av geometriska effekter, en större del av den utsända fotoluminescensen kanaliserades till pyramidens bas, vilket resulterar i en signal upp till åtta gånger starkare än andra riktningar. I experimenten, botten av spetsen var fäst på en kiselnitrid fribärande, transparent för det infraröda ljuset, så att fotoluminescensen kunde passera och samlas in av en spektrofotometer.

"I många nanosensingapplikationer, signalen är i sig väldigt svag och detta utgör en grundläggande gräns för känsligheten, "förklarade Leong." Möjligheten att samla in och detektera en större signal förbättrar många prestandamätvärden, såsom minsta detekterbara signal, upplösning och mätningstid, till exempel."

För det andra, dessa diamantspetsar är kommersiellt tillgängliga och kompatibla med AFM- och mikroskoputrustning, erbjuder en väg till praktiskt genomförande. "Dessa AFM-spetsar på hyllan är lätt tillgängliga och billiga. De kostar cirka 100 SGD styck, "kommenterade Leong." Om de innehåller färgcentra med lämpliga optiska egenskaper, de kan vara ett billigt substitut för andra diamantnanoprober. Den lägre kostnaden och den enkla tillgängligheten kan hjälpa till att främja den snabba utvecklingen och användningen av kvantteknologiska applikationer. "

Den extremt små storleken på diamantspetsarna, som har en spetsradie på cirka 10 nanometer och längd på cirka 15 mikrometer, betyder att de kan föras extremt nära det prov som ska studeras, maximera mätkänslighet och rumslig upplösning. "Dessa diamantspetsar kan eventuellt användas för avkänning av applikationer som är utmanande att utföra med andra diamantstrukturer, till exempel, kartlägga de elektromagnetiska egenskaperna hos djupa skyttegravar eller utrymmet runt nära placerade nanostrukturer, kommenterade Leong.

Hittills, teamet har fokuserat på att undersöka diamantspetsar med kisel -vakansfärgcentra, men Leong säger att det är möjligt att också införa kvävevakansfärgcentra som är populära i magnetometristudier. "Partiet med diamantspetsar som diskuterades i pappret1 tillverkades i en nominellt kvävefri process och hade därför många vakuumcentraler av kisel men mycket få kvävevakanscentra, "förklarade Leong." Men andra separata partier med diamantspetsar vi fått, innehöll höga koncentrationer av kvävevakanscentraler. "

Nu när teamet har visat att förbättrad optisk avläsning är möjlig från diamantspetsarna, nästa steg i forskningen kommer att vara att optimera prestanda och sedan utföra några verkliga avkänningsexperiment "Vi planerar att använda dessa tips i praktiska nanosenseringstillämpningar. Aktuella idéer inkluderar nanoskala magnetisk avkänning och ytstudier, sa Leong.