中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人在金剛石量子器件制備方向取得重要進(jìn)展，發(fā)展了一種全新的基于自對(duì)準(zhǔn)的光子學(xué)器件制備加工技術(shù)，可將氮-空位色心這一原子級(jí)量子傳感器以納米級(jí)精度加工到金剛石器件最佳工作位置，實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)光學(xué)探測性能的量子傳感器陣列。這項(xiàng)研究成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。
金剛石，俗稱“鉆石”，具有高硬度、高穩(wěn)定性、高透光性、高熱導(dǎo)率以及超高的禁帶寬度等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在超精密加工、光學(xué)材料以及半導(dǎo)體電子器件等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近十多年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金剛石中一種可以發(fā)光的原子尺度晶格缺陷--氮-空位色心（簡稱NV色心）具有極大的量子應(yīng)用前景，讓存在缺陷的不“完美”金剛石變得在實(shí)用性上更加“完美”。NV色心不僅可以以納米空間分辨率對(duì)電磁場、壓力等多種物理量在室溫大氣乃至極端環(huán)境下進(jìn)行精密測量，也可以建立多體量子糾纏，用于研究量子信息等基礎(chǔ)問題，在前沿基礎(chǔ)科學(xué)、高科技產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用價(jià)值。
圖1：制備技術(shù)方法示意圖。
制備高性能金剛石量子器件是金剛石量子信息技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。以金剛石量子傳感器為例，其原理是利用器件內(nèi)的NV色心將外界的微弱物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為自身熒光強(qiáng)度信號(hào)來進(jìn)行探測，因此在不犧牲其他物理性質(zhì)前提下，提高NV色心光子計(jì)數(shù)率是提升傳感器性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。在過去幾年中，人們積極致力于開發(fā)用于提高NV色心熒光強(qiáng)度的金剛石微納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)，例如固體浸沒透鏡、柱形波導(dǎo)、圓形牛眼光柵、拋物面反射器、倒置納米錐等。但目前傳統(tǒng)的制備技術(shù)無法精確控制微納米結(jié)構(gòu)中NV色心位置，導(dǎo)致器件制備效率低下，性能難以達(dá)到預(yù)期(圖2(a))，其主要原因是NV色心制備工藝和金剛石結(jié)構(gòu)刻蝕工藝之間的對(duì)準(zhǔn)難題(圖1左)。通常這一對(duì)準(zhǔn)精度需要優(yōu)于20納米，方能達(dá)到光學(xué)器件理論上最優(yōu)的光學(xué)性能。
圖2：器件制造效果展示。（a）傳統(tǒng)工藝制造器件光學(xué)計(jì)數(shù)率分布；（b）自對(duì)準(zhǔn)工藝制造器件光學(xué)計(jì)數(shù)率分布；（c）金剛石納米柱傳感陣列電鏡照片；（d）單個(gè)NV色心熒光飽和曲線測試。
針對(duì)以上難題，本工作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于自對(duì)準(zhǔn)策略的光子學(xué)器件加工技術(shù)，通過雙層掩膜圖形化工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生成NV色心所需的氮離子注入工藝和金剛石結(jié)構(gòu)刻蝕工藝的自對(duì)準(zhǔn)，精度可以達(dá)到15納米(圖1右)。使用該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高性能金剛石納米柱傳感陣列的制造，該納米柱傳感器可用于生物傳感、納米級(jí)磁性材料成像等前沿應(yīng)用。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，器件顯示出高度一致且最優(yōu)的光子計(jì)數(shù)率以及接近理論預(yù)期的器件產(chǎn)率。通過金剛石晶體取向進(jìn)一步控制熒光發(fā)射偶極方向，團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)單個(gè)NV色心飽和光子計(jì)數(shù)率達(dá)到~4.34Mcps，熒光強(qiáng)度提升大約20倍(圖2)。
該方法具有可工程化、簡單且高精度的特點(diǎn)，不僅可批量化制備高性能金剛石量子傳感器，對(duì)金剛石量子技術(shù)實(shí)用化具有重要意義,還可以應(yīng)用于碳化硅、稀土離子等其他固態(tài)量子體系。相關(guān)技術(shù)與器件已申請(qǐng)國際專利進(jìn)行保護(hù)。
中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員王孟祺為該論文的第一作者，杜江峰院士、王亞教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9573
