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Nov 13, 2023

나노다이아몬드는 펨토초를 가능하게 한다

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6286(2023) 이 기사 인용

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형광 나노다이아몬드의 양자 특성은 물리적 응용을 위한 양자 기반 장치 제조에 큰 가능성을 제공합니다. 그러나 나노다이아몬드는 그 특성을 활용하기 위해 기판과 적절하게 결합되어야 합니다. 여기서 우리는 캔틸레버 기반 나노 기계 하이브리드 양자 센서를 설계하기 위해 강렬한 펨토초 펄스를 사용하여 나노 다이아몬드와 나노 모양으로 초박형 유연한 유리 (두께 30 미크론)를 기능화할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 제작된 초박형 유리 캔틸레버는 제로 포논 라인이 있는 잘 정의된 형광과 2.87GHz 근처의 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR)을 포함하여 질소 공극 중심의 안정적인 광학, 전자 및 자기 특성을 보여줍니다. 우리는 음향 펄스, NV 센터의 Zeeman 분할을 사용한 외부 자기장 또는 ODMR 라인의 열 이동을 측정하여 CW 레이저 유도 가열을 측정하여 형광 초박형 유리 캔틸레버의 여러 감지 응용 프로그램을 보여줍니다. 이 연구는 다기능 양자 장치를 위한 새로운 다목적 기판으로서 펨토초 처리된 형광 초박형 유리의 적합성을 보여줍니다.

다이아몬드 나노입자의 질소 공극(NV) 센터는 물리학, 생물학, 화학 분석 및 이미징 분야의 학제간 응용을 통해 독특한 광학, 열, 자기 및 생물학적 특성으로 인해 하이브리드 나노기계 양자(HNQ) 시스템 개발에 큰 관심을 불러일으켰습니다1,2 ,3,4,5,6. 대부분의 HNQ 시스템에서 NV 센터의 단일 또는 앙상블을 보유한 나노 다이아몬드는 NV 양자 상태의 높은 감도를 사용하여 스트레스, 온도 및 자기장을 감지하기 위해 SiN 기반 공진기, 기계식 발진기 또는 마이크로 캔틸레버와 같은 다양한 플랫폼과 결합됩니다. 로컬 환경7,8,9. 또한 나노다이아몬드는 나노 수준의 해상도10,11를 갖춘 형광 이미징 및 단일 셀 온도 측정을 위한 다양한 시스템에 직접 주입되었습니다. NV 센터는 긴 스핀 일관성 시간12,13을 통한 실온 작동과 높은 충실도14,15의 스핀 초기화 및 판독을 위한 잘 확립된 광학 기술로 인해 양자 기술을 위한 유망한 고체 플랫폼을 제공합니다. 그러나 NV 센터를 새로운 재료와 결합하고 양자 감지 잠재력을 활용하기 위한 새로운 제조 기술을 개발하는 데 대한 관심이 높아지고 있습니다.

이전에 NV 센터는 캔틸레버16,17,18, 미세공동19, 세라믹 페로브스카이트20 및 고분자 막21형태의 다양한 반도체 및 절연 기판 위에 준비되었습니다. 다이아몬드와 실리콘 표면에 제작된 HNQ 장치는 가볍고, 주변 환경 변화에 대한 반응성이 높다는 장점이 있습니다. 자기 스캐닝 프로브 및 원자 힘 현미경(AFM)을 통한 힘 측정, 고속 액츄에이터20 및 단일 분자 및 단백질 검출과 같은 NV 기반 센서의 많은 잠재적인 응용이 입증되었습니다. 전통적인 앵글 에칭 기술은 전자빔 리소그래피(EBL) 및 고진공 하에서 이방성 플라즈마 에칭을 사용하여 다이아몬드 또는 실리콘 표면에 독립형 HNQ 시스템을 제작하는 데 사용되었습니다. 이전에는 펨토초 레이저 펄스와 NV 센터의 상호 작용이 연구되었으며 이러한 레이저 펄스는 다이아몬드 칩29,30에 NV 센터를 생성하는 데 사용되었습니다.

최근에는 우수한 기계적 성질, 높은 유연성, 나노미터 표면 평탄도, 높은 광학 투명성을 지닌 30μm 두께의 고품질 유리가 시판되고 있습니다. 초박형(UT) 유리 기판은 저렴한 비용, 높은 표면 인성 및 뛰어난 1nm 미만의 평탄도 덕분에 여러 대중 시장 응용 분야에서 필수적으로 여겨지고 있습니다. UT-유리는 미세 유체 장치31,32,33, 유연한 전자 장치34, 포토닉스35,36 및 안정적인 아토초 지연 라인37제조와 같은 광범위한 응용 분야에 사용되었습니다. 그러나 유연한 양자 센서를 구축하기 위해 UT-유리의 뛰어난 기계적 특성과 NV 센터의 양자 특성을 결합할 가능성은 아직 탐구되지 않았습니다. 펨토초 레이저 절제의 나노 처리 기능을 사용하여 나노 다이아몬드 지원 UT 유리 기반 양자 감지 캔틸레버를 제작할 수 있는지 궁금할 수 있습니다.