使用纳米钻石作为传感器变得更容易了

左图:透射电子显微镜的图像显示了一个单独的纳米钻石,碳网格上有一个70纳米的钻石核。罗切斯特大学的研究人员已经开发出一种新的方法,利用钻石中被称为氮空位中心的缺陷,以卓越的空间和时间分辨率来测量它们附着的样品的温度。右图:原子力显微镜(AFM)图像显示,利用AFM纳米操作,纳米金刚石以“R”(罗切斯特)的形式排列。
资料来源:皮克尔实验室/罗切斯特大学

罗切斯特大学的研究人员采用激发态寿命测温法,从氮空位中心发出的光中提取纳米材料的温度。

几个世纪以来,人们对不仅巨大而且完美无瑕的钻石给予了最高的评价。

然而,科学家们发现了钻石令人兴奋的新用途,这种钻石不仅非常小,而且有一种独特的缺陷。

在最近的一篇论文中应用物理快报,研究人员在罗彻斯特大学描述一种用这些缺陷(称为氮空位中心)发出的光来测量温度的新方法。这项技术是由安德里亚冰斧,助理教授机械工程和她实验室的博士生迪尼希·博米迪(Dinesh Bommidi),让他们首次精确测量了这些光发射的持续时间,或“激发态寿命”,在广泛的温度范围内。

这一发现为论文赢得了美国物理研究所的认可。Scilight,展示了AIP认为的物理科学中最有趣的研究。

罗彻斯特方法为研究人员提供了一种不那么复杂、更精确的工具,可以利用氮空位中心来测量纳米材料的温度。这种方法也可以安全地成像敏感的纳米尺度材料或生物组织,并可以应用于量子信息处理。

例如,Pickel说,这项技术可以帮助定义和测量纳米级相变存储设备中材料电阻率转换所需的精确最佳温度,这是在更小的设备中存储更大数量数据的不断探索的一部分。

“这些激发态寿命测量对测量温度变化非常有帮助,这些温度变化不仅发生在小尺度上,也发生在快时间尺度上,”皮克说。“事实证明,这些寿命是相当快的,在室温下只有25到30纳秒,在更高的温度下甚至更快。”

与标准方法相比,新技术具有多重优势

氮空位中心通常是用离子轰击商用钻石,然后将它们磨成研究人员使用的纳米级钻石颗粒而产生的。在氮空位中心,一个碳原子被一个氮原子取代,相邻的氮原子就丢失了。“事实证明,这些氮空位中心是荧光的,所以如果你用激光发射光,你也可以从它们身上得到光,”Pickel说。

到目前为止,大多数研究小组都使用了一种称为光学检测磁共振(ODMR)的技术,利用氮空位中心来测量温度。然而,这种方法有几个缺点,Pickel说。OMDR要求在样品附近放置一个微波天线来进行测量。这可能是一个复杂的设置。这种天线还会导致加热,从而损害敏感材料或生物样本。此外,微波信号在较高的温度下会完全丢失。

相反,Pickel和Bommidi采用了一种被称为激发态寿命测温的现有技术,并首次将其应用于单个纳米金刚石中的氮空位中心。

纳米金刚石,分散在被测试材料的表面,是用原子力显微镜定位的。研究人员开发了一种利用显微镜探针尖端将单个纳米钻石移动到所需位置的方法。

“如果你知道有一个非常关键的位置,在那里你想要测量设备或样品的温度,这就给了我们一种方法,将纳米钻石传感器移动到那个位置——几乎就像在一场小型纳米钻石高尔夫比赛中使用推杆,”皮克说。

然后研究人员用绿色激光脉冲激活氮空位中心。这会使电子进入更高的能量状态。当激光关闭,电子恢复到正常状态时,光子就会发射出来。这种排放的持续时间是温度的精确指示器。

皮克尔说,由于纳米钻石的温度与它们所放置的材料相同,因此这种材料的读数也很精确。

“我们对此很兴奋,因为它是全光学的;我们不需要微波天线,”皮克尔说。“即使我们提高了温度,我们仍能获得测量信号,所以我们可以在相当快的时间尺度上进行温度测量。这在纳米尺度上很重要,因为当你有非常小的样本时,它们的温度变化非常快。”

期刊:应用物理快报
DOI:10.1063/5.0072357
研究方法:实验研究
研究对象:不适用
论文标题:单个纳米金刚石中氮空位中心的激发态寿命随温度的变化
文章出版日期:2021年12月21日

媒体接触

罗伯特·马克特
罗彻斯特大学
bmarcotte@ur.rochester.edu
办公室:585-329-3583

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