光與材料技術的結合是新型傳感技術發(fā)展的關鍵。對電場、磁場和溫度進行高時空分辨的*探測，對于納米級量子器件的研發(fā)至關重要。金剛石中的“顏色中心”（尤其是氮-空位中心，NVcenters）因其獨特的量子態(tài)而成為潛在的理想傳感單元。然而，傳統(tǒng)基于光學檢測磁共振（ODMR）的手段時間分辨率只能達到納秒量級，難以滿足超快過程探測的需求。

近日，日本筑波大學團隊在《NatureCommunications》上發(fā)表成果“Anultrafastdiamondnonlinearphotonicsensor”，利用金剛石中的“氮-空位中心”（NVcenters），打造出了一種超快非線性光子傳感器，實現(xiàn)了飛秒級時間分辨、納米級空間分辨的電場探測。

研究人員將超快泵浦-探測技術與掃描探針顯微鏡（SPM）結合，開發(fā)了一種新型電光（EO）傳感器：

在金剛石納米探針中引入淺層（<40nm）NV中心，使其具備電光效應；

通過10飛秒的近紅外激光脈沖，實現(xiàn)對材料表面電場的采樣；

實驗結果顯示，時間分辨率可達100飛秒，空間分辨率優(yōu)于500nm。

這種設計突破了傳統(tǒng)電光傳感器受衍射極限限制的瓶頸，能夠實現(xiàn)納米-飛秒級的聯(lián)合探測。

實際意義

這一成果在科研與應用層面具有多方面價值：

半導體材料與器件：在功率器件（如SiC、GaN）中，表面電場的分布與動態(tài)變化直接關系到器件的擊穿電壓和長期可靠性。該方法為器件失效機理研究提供了新工具。

二維材料與光電器件：對單層與多層WSe?的對比實驗表明，該技術能夠揭示層數(shù)、表面氧化等因素對載流子動力學的影響，為二維材料在光電子和邏輯器件中的應用提供參考。

量子傳感發(fā)展：相比傳統(tǒng)的ODMR方法，該技術大幅提升了時間分辨率，未來有望擴展到磁場、溫度等多維度參數(shù)的綜合探測，為量子計算與量子網絡中的器件診斷提供手段。

納米檢測與材料科學：在納米尺度下觀察材料表面超快電場演化，有助于理解界面缺陷、散射機制等關鍵物理問題，為材料設計與優(yōu)化提供支撐。

隨著NV探針靈敏度的提升和商業(yè)化NV金剛石探針的應用，該類超快非線性光子傳感器有望將空間分辨率進一步提升至10nm級別。結合當前半導體產業(yè)對高分辨測試技術的需求，該研究提出的方案具有較強的延展性和應用潛力。其在量子傳感、先進材料研究及高端檢測裝備領域，都可能發(fā)揮越來越重要的作用。

圖文導讀

 

圖1|電光納米顯微技術的概念示意圖。a采用金剛石NV*的超快泵探測測量示意圖，采用“針尖模式”——即在樣品上每個指定點垂直進退原子力顯微鏡探針。樣品通過壓電掃描器在x-y方向掃描。b采用鉆石NV*進行電光采樣的示意圖。

 

圖2|金剛石NV探針的制備過程。a聚焦離子束制備的金剛石NV*的掃描離子顯微鏡圖像。b金剛石NV*的光致發(fā)光圖像。c用于確認金剛石*NV中心的發(fā)光測量示意圖。在135μW功率的532nm連續(xù)波激光照射后，通過共聚焦顯微鏡將光致發(fā)光信號收集至雪崩光電二極管。d附著于懸臂梁的金剛石NV探針頂視光學圖像。e附著于懸臂梁的金剛石NV探針側視圖。f搭載金剛石NV探針的自傳感懸臂梁光學圖像。

 

圖3|采用金剛石NV探針在n型砷化鎵基底上檢測電場。a表面能帶彎曲示意圖及金剛石NV*的針尖模式布局。表面態(tài)由鐘形虛線表示，其中費米能級（EF）下方能帶被電子占據（–）。VB和CB分別表示價帶和導帶。b室溫下未放置金剛石NV探針的n-GaAs晶片宏觀時間分辨c采用鉆石NV探針在n-GaAs基片上獲得的局部時間分辨電光信號。插圖展示自傳感懸臂梁的光學圖像，其上附有鉆石NV探針。圖b和c中的黑色虛線曲線為指數(shù)擬合曲線，用于提取正文中闡述的弛豫時間常數(shù)。

 

圖4|WSe2上EO信號的時空測量。a采用金剛石NV探針獲得的60μm×60μm區(qū)域地形圖。P1~P3標記宏觀測量位置：P1對應1層WSe2，P2對應體相WSe2，P3對應SiO2襯底。虛線箭頭代表(c)和(e)中的線掃描區(qū)域。b在室溫下，從WSe2/SiO2表面三個不同位置（無金剛石NV探針）獲得的時分辨電光信號。c采用硅探針進行200納米步進的原子力顯微鏡線掃描。P4~P11代表測量位置，從單層到多層（體相）WSe2。高度波動可能源于樣品表面褶皺和/或潔凈室系統(tǒng)的振動。d鉆石NV探針與樣品的CMOS圖像。e鉆石NV探針獲得的局部時間分辨電光信號。e圖中黑色實線分別采用單指數(shù)衰減函數(shù)（單層）與雙指數(shù)衰減函數(shù)（體相）擬合所得。f圖為不同位置時間分辨電光信號擬合獲得的時間常數(shù)，誤差條表示標準偏差。c圖與f圖中綠色矩形陰影區(qū)域代表體相區(qū)域。

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