Le punte di diamante disponibili in commercio utilizzate nella microscopia a forza atomica (AFM) potrebbero aiutare a rendere il rilevamento quantistico su nanoscala conveniente e pratico, I ricercatori di A*STAR hanno scoperto.

L'idea di utilizzare "centri di colore", difetti atomici otticamente attivi nel diamante, come sonda per effettuare misurazioni su nanoscala altamente sensibili di grandezze come il campo elettromagnetico, temperatura, o ceppo è ben noto. In pratica, però, questi esperimenti spesso richiedevano la costosa fabbricazione di nanostrutture di diamante progettate su misura ed è una sfida raccogliere il segnale ottico molto debole prodotto dai centri di colore.

Ora, un recente studio pubblicato da Victor Leong, e colleghi dell'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali di A*STAR, e l'Istituto di Calcolo ad Alte Prestazioni, suggerisce che l'uso di punte AFM diamantate commerciali a forma di piramide che contengono centri vacanti di silicio – potrebbe aiutare. L'approccio ha diversi vantaggi.

in primo luogo, gli esperimenti del team con un microscopio confocale e punte di diamante disposte in diversi orientamenti mostrano che la forma piramidale della punta di diamante agisce come un collettore altamente efficiente della debole fotoluminescenza a infrarossi (738 nanometri) generata dal centro del colore. A causa di effetti geometrici, una porzione maggiore della fotoluminescenza emessa è stata incanalata alla base della piramide, risultando in un segnale fino a otto volte più forte di altre direzioni. Negli esperimenti, la base della punta era fissata a un cantilever in nitruro di silicio, trasparente alla luce infrarossa, in modo che la fotoluminescenza potesse passare ed essere raccolta da uno spettrofotometro.

"In molte applicazioni di nanorilevamento, il segnale è intrinsecamente molto debole e questo pone un limite fondamentale alla sensibilità, " ha spiegato Leong. "La capacità di raccogliere e rilevare un segnale più grande migliora molti parametri delle prestazioni come il segnale minimo rilevabile, risoluzione e tempo di misura, Per esempio."

In secondo luogo, queste punte diamantate sono disponibili in commercio e compatibili con AFM e apparecchiature per microscopi, offrendo un percorso di attuazione pratica. "Queste punte AFM diamantate pronte all'uso sono facilmente reperibili ed economiche. Costano circa SGD 100 ciascuna, " ha commentato Leong. "Se contengono centri di colore con proprietà ottiche adeguate, potrebbero essere un sostituto a basso costo per altre nanosonde di diamante. Il costo inferiore e la facile disponibilità potrebbero aiutare a promuovere il rapido sviluppo e l'adozione di applicazioni tecnologiche quantistiche".

Le dimensioni estremamente ridotte delle punte diamantate, che hanno un raggio di punta di circa 10 nanometri e una lunghezza di circa 15 micrometri, significa che possono essere avvicinati molto al campione da studiare, massimizzando la sensibilità di misura e la risoluzione spaziale. "Queste punte di diamante potrebbero essere potenzialmente utilizzate in applicazioni di rilevamento difficili da eseguire con altre strutture diamantate, Per esempio, mappare le proprietà elettromagnetiche di fosse profonde o lo spazio intorno a nanostrutture ravvicinate, " ha commentato Leone.

Ad oggi, il team si è concentrato sullo studio di punte di diamante con centri di colore liberi di silicio, ma Leong afferma che è possibile introdurre anche centri di colore liberi di azoto che sono popolari negli studi di magnetometria. "Il lotto di punte di diamante discusso nel documento1 è stato prodotto con un processo nominalmente privo di azoto e quindi aveva molti centri vacanti di silicio ma pochissimi centri vacanti di azoto, " ha spiegato Leong. "Tuttavia, altri lotti separati di punte diamantate che abbiamo ottenuto, conteneva alte concentrazioni di azoto vacanti centri."

Ora che il team ha dimostrato che è possibile una migliore lettura ottica dalle punte di diamante, la fase successiva della ricerca sarà quella di ottimizzare le prestazioni e quindi eseguire alcuni esperimenti di rilevamento effettivi "Abbiamo in programma di implementare questi suggerimenti in applicazioni pratiche di nanorilevamento. Le idee attuali includono il rilevamento magnetico su scala nanometrica e gli studi di superficie, " ha detto Leone.