Un centro di azoto vacante (NV) è un difetto nella struttura cristallina del diamante, dove un atomo di azoto sostituisce un atomo di carbonio nel reticolo del diamante e un sito vicino nel reticolo è vacante. Questo e altri difetti fluorescenti nel diamante, noti come centri di colore, hanno attirato l'attenzione dei ricercatori grazie alle loro proprietà quantistiche, come l'emissione di un singolo fotone a temperatura ambiente e con un lungo tempo di coerenza. Le loro numerose applicazioni includono la codifica e l'elaborazione di informazioni quantistiche e la marcatura cellulare negli studi biologici.
La microfabbricazione nel diamante è tecnicamente difficile e i nanodiamanti con centri colorati sono stati incorporati in strutture progettate su misura come un modo per integrare questi emettitori quantistici in dispositivi fotonici. Uno studio condotto presso l'Istituto di fisica São Carlos (IFSC-USP) dell'Università di San Paolo in Brasile ha stabilito un metodo per questo, come descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Nanomaterials .
"Abbiamo dimostrato un metodo per incorporare nanodiamanti fluorescenti in microstrutture progettate per questo scopo, utilizzando la polimerizzazione a due fotoni [2PP]", ha detto ad Agência FAPESP Cleber Mendonça, professore all'IFSC-USP e ultimo autore dell'articolo. "Abbiamo studiato la concentrazione ideale di nanodiamante nel fotoresist per ottenere strutture con almeno un centro NV fluorescente e una buona qualità strutturale e ottica." Il fotoresist è un materiale sensibile alla luce utilizzato nel processo di fabbricazione per trasferire modelli su scala nanometrica al substrato.
Mendonça e il suo gruppo hanno fatto ampio uso del 2PP per fabbricare microstrutture tridimensionali. In poche parole, 2PP è una tecnica di scrittura laser diretta in cui un raggio laser ad alta intensità viene focalizzato su una resina polimerica sensibile alla luce che non si è ancora solidificata per produrre la microstruttura di interesse.
Nello studio, una soluzione di nanodiamante in acqua deionizzata è stata aggiunta alla miscela di monomeri che costituiva il fotoresist e, dopo aver completato tutte le procedure fisico-chimiche necessarie, è stata eseguita la microfabbricazione sottoponendo il campione a impulsi provenienti da un potente laser al titanio-zaffiro controllato tramite software dedicato per definire le coordinate esatte del raggio.
"Le misurazioni della fluorescenza e della spettroscopia Raman sono state utilizzate per confermare la presenza e la posizione dei nanodiamanti, mentre le misurazioni dell'assorbanza hanno valutato le perdite di dispersione a concentrazioni più elevate. I nostri risultati mostrano la fattibilità della fabbricazione di microstrutture incorporate all'interno di nanodiamanti fluorescenti tramite 2PP per applicazioni di fotonica e tecnologia quantistica," scrivono gli autori nell'articolo.
Lo studio faceva parte del dottorato di ricerca. ricerca del primo autore Filipe Assis Couto, con Mendonça come relatore di tesi.
Ulteriori informazioni: Filipe A. Couto et al, Integrazione di nanodiamanti fluorescenti in microstrutture polimeriche fabbricate mediante polimerizzazione a due fotoni, Nanomateriali (2023). DOI:10.3390/nano13182571
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