利用優化的金剛石探針實現卓越的納米級傳感和成像。
從生物學領域的微生物發現到物理學領域的原子成像，顯微成像提高了我們對世界的認識，并對許多科學進步作出了貢獻?，F在，隨著自旋電子學和微型磁性器件的出現，越來越需要納米尺度的成像來探測物質的量子性質，如電子自旋、鐵磁體中的磁疇結構和超導體中的磁渦。
使用掃描NV探頭對磁帶中的磁疇結構進行成像。通過FIB銑削加工制作的金剛石NV中心探頭的掃描顯示了磁帶磁疇結構的成像。來源：Toshu An from JAIST.
通常，這是通過補充標準顯微鏡技術（如掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡（AFM））和磁性傳感器來實現的，以創建“掃描磁測探針”，從而實現納米級成像和傳感。然而，這些探針通常需要超高真空條件、極低溫度，并且空間分辨率受到探針尺寸的限制。
在這方面，金剛石中的氮空位（NV）中心（金剛石結構中的缺陷，由與缺失原子產生的“空位”相鄰的氮原子形成）受到了極大的關注。事實證明，NV對可以與AFM結合以完成局部磁成像，并且可以在室溫和壓力下工作。然而，這些探針的制造涉及復雜的技術，不允許對探針形狀和尺寸進行太多控制。
（a）掃描金剛石NV探針的制造程序說明：（i）將14N+離子注入金剛石基底，（ii）將大塊金剛石激光切割成棒狀，（iii）將金剛石棒粘合到石英音叉AFM探針的頂端，和（iv）具有內徑（Ri）和外徑（Ro）的圓環形纖維銑削工藝，以制造微柱。掃描金剛石NV探頭的側視圖（c）和俯視圖（d）的光學（b）和SEM圖像。
在日本高級科學技術研究所（JAIST）副教授Toshu An和JAIST博士生Yuta Kainuma領導的一項新研究中，日本與京都大學和國家高級工業科學技術研究所的研究人員合作解決了這一問題，使用激光切割和聚焦離子束（FIB）加工相結合的新技術制造NV承載金剛石探針，該技術可實現高度的加工自由度和對探針形狀的控制。這篇論文于2021年12月28日發表在《Applied Physics》上。
首先，研究小組通過向塊狀金剛石中注入氮離子，在其中創建了N-V中心。接下來，他們拋光對面，用激光切割制作出多個棒狀工件。他們將其中一根金剛石棒連接到AFM探針的尖端，并使用FIB處理將金剛石棒的前表面變成最終的探針形狀?！癋IB使用鎵離子來塑造探針。然而，這些離子會在金剛石結構中產生空位，從而改變NV缺陷的電荷狀態。為了避免這種情況，我們在探針中心周圍使用了一種甜甜圈形狀的銑削模式，以防對NV中心造成任何損壞，”An博士解釋道。最后的探針是一個微柱，由103個NV中心組成，直徑為1.3μm，長度為6μm。
（a）結合共焦掃描激光顯微鏡和掃描NV探針石英AFM的實驗配置。（b）磁帶樣品的三維地形AFM圖像。通過金絲（φ）將微波引入掃描金剛石NV探針?=?25?μm）在面內外磁場Hext下覆蓋在樣品上?=?5.2?mT.（c）金剛石探針中NV中心（NV1–NV4）量子軸的側視圖和俯視圖。
利用該探針，研究小組對磁帶中的周期性磁疇結構進行了成像。An博士解釋說：“我們通過映射固定微波頻率下的光致發光強度和光學檢測到的磁共振光譜中的共振頻率，從磁疇結構中成像了雜散磁場?！?。
該團隊樂觀地認為，新的制造方法將擴大量子成像探針的適用性。他們認為，近年來，人們一直在尋求開發新設備，以解決環境和能源問題，實現人類社會的可持續繁榮。量子測量和傳感技術有望在未來徹底改革支持社會基礎設施的系統。因此，他們的制備技術“將有助于推動實現納米級量子成像的努力”。
掃描鉆石探針的光學（a）和PL（b）俯視圖圖像。探針位置由白色虛線圓圈標記，其中顯示最大PL強度，如線形圖所示。（c） NV金剛石探頭的PL強度（實線），作為激光聚焦z位置的函數。顯示了用Savitzky–Golay（實心圓）過濾的PL數據的一階導數和用四階多項式擬合的曲線（紅色實線）。已設置安裝的最大位置（藍色實線）以跟蹤NV探頭z位置。（d）在不同焦點位置觀察到的光學俯視圖像。（e）金剛石探針的NVs（NV1–NV4）量子軸的相對坐標，傾斜于從（d）推斷出的磁性樣品。
來源：Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by lasercutting and focused ion beam milling, Journal of Applied Physics (2021). DOI:10.1063/5.0072973
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