Ett kvävevakanscentrum (NV) är en defekt i diamantens kristallstruktur, där en kväveatom ersätter en kolatom i diamantgittret och en angränsande plats i gittret är ledig. Denna och andra fluorescerande defekter i diamant, känd som färgcentra, har tilldragit sig forskarnas uppmärksamhet på grund av deras kvantegenskaper, såsom singelfotonemission vid rumstemperatur och med lång koherenstid. Deras många tillämpningar inkluderar kodning och bearbetning av kvantinformation samt cellmärkning i biologiska studier.
Mikrotillverkning i diamant är tekniskt svårt, och nanodiamanter med färgcentra har bäddats in i specialdesignade strukturer som ett sätt att integrera dessa kvantemitter i fotoniska enheter. En studie genomförd vid University of São Paulos São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) i Brasilien har etablerat en metod för detta, som beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Nanomaterials .
"Vi demonstrerade en metod för att bädda in fluorescerande nanodiamanter i mikrostrukturer designade för detta ändamål, med hjälp av två-fotonpolymerisation [2PP]," sa Cleber Mendonça, professor vid IFSC-USP och sista författare till artikeln, till Agência FAPESP. "Vi studerade den ideala koncentrationen av nanodiamant i fotoresisten för att uppnå strukturer med minst ett fluorescerande NV-centrum och god strukturell och optisk kvalitet." Fotoresisten är ett ljuskänsligt material som används i tillverkningsprocessen för att överföra mönster i nanoskala till substratet.
Mendonça och hans grupp har i stor utsträckning använt 2PP för att tillverka tredimensionella mikrostrukturer. Enkelt uttryckt är 2PP en direkt laserskrivteknik där en högintensiv laserstråle fokuseras på ett ljuskänsligt polymerharts som ännu inte har stelnat för att producera mikrostrukturen av intresse.
I studien sattes en nanodiamantlösning i avjoniserat vatten till blandningen av monomerer som bestod av fotoresisten, och efter att alla erforderliga fysikalisk-kemiska procedurer hade slutförts, utfördes mikrotillverkning genom att pulsera provet från en kraftfull titan-safir-laserkontrollerad med dedikerad programvara för att definiera strålens exakta koordinater.
"Fluorescens- och Ramanspektroskopi-mätningar användes för att bekräfta närvaron och placeringen av nanodiamanterna, medan absorbansmätningar bedömde spridningsförluster vid högre koncentrationer. Våra resultat visar möjligheten att tillverka mikrostrukturer inbäddade i fluorescerande nanodiamanter via 2PP för fotonik- och kvantteknologiapplikationer," skriver författarna i artikeln.
Studien var en del av Ph.D. forskning av försteförfattaren Filipe Assis Couto, med Mendonça som avhandlingsrådgivare.
Mer information: Filipe A. Couto et al, Integrating Fluorescent Nanodiamonds into Polymeric Microstructures Fabricated by Two-Photon Polymerization, Nanomaterials (2023). DOI:10.3390/nano13182571
Tillhandahålls av FAPESP
