強化されたダイヤモンドセンサーを使用したウルトラナノセンシングとイメージングに向けて

生物学の分野での微生物の発見から物理学の分野での原子のイメージングまで、顕微鏡イメージングは​​世界の理解を向上させ、多くの科学的進歩に貢献してきました。 現在、スピントロニクスや小型磁気デバイスの出現により、電子スピン、強磁性体の磁場構造、超伝導体の磁気渦など、物質の量子特性を発見するためのナノメートルスケールでのイメージングの必要性が高まっています。

これは通常、トンネル顕微鏡や走査型原子間力顕微鏡（AFM）などの標準的な顕微鏡技術を磁気センサーで補完して、ナノスケールのイメージングとセンシングを実現できる「磁気走査センサー」を作成することによって行われます。 ただし、これらのプローブは、非常に高い真空条件、非常に低い温度を必要とすることが多く、プローブサイズの空間分解能に制限があります。

この点で、ダイヤモンドの窒素空孔（NV）中心（欠落した原子によって作成された「空孔」に隣接する窒素原子からなるダイヤモンド構造の欠陥）が大きな注目を集めています。 NVペアをAFMと組み合わせて、局所的な磁気イメージングを実現し、室温と圧力で動作できることがわかりました。 ただし、これらのプローブの製造には、プローブの形状とサイズを大幅に制御できない複雑な技術が含まれます。

北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）のトーチョ・アン准教授とユタ・カイヌマ博士が率いる新しい研究で。 JAISTの学生は、日本の京都大学と産業技術総合研究所の研究者と協力してこの問題に取り組み、レーザー切断と集束イオンビームを組み合わせた新技術を使用してNVホスト型ダイヤモンドプローブを作成しました。 （FIB）高度な処理を可能にした処理。処理の自由とプローブの形状の制御。 この論文は2021年12月28日にオンラインで公開され、第130巻第24号に掲載されました。 応用物理学ジャーナル。

まず、チームはダイヤモンドブロックに窒素イオンを注入してNVセンターを作成しました。 次に、対応する表面を研磨し、複数のレーザーカットされた棒状の部品を製造しました。 彼らは、ダイヤモンドロッドの1つをAFMプローブの先端に取り付け、FIB処理を使用して、ダイヤモンドロッドの前面を最終的なプローブ形状に変換しました。 「FIBはガリウムイオンを使用してプローブを成形します。ただし、これらのイオンはダイヤモンド構造に空孔を生成してNV欠陥の電荷状態を変化させる可能性があります。これを回避するために、中央に円形のケーキ型の研削パターンを使用しました。 NVセンターへの損傷を防ぐためのプローブ」とDr. 最終的なプローブは、直径1.3μm、長さ6μmの103個のNVセンターからなるマイクロピラーでした。

チームはプローブを使用して、磁気ストリップ内の周期的な磁場の構造を画像化しました。 「固定マイクロ波周波数での光ルミネセンス強度と光学的に検出された磁気共鳴スペクトルの共鳴周波数をマッピングすることにより、磁場構造から漂遊磁場を画像化しました」とアン博士は説明します。

チームは、新しい製造方法が量子イメージングセンサーのアプリケーションを拡大することを楽観視しています。 「近年、環境やエネルギーの問題を解決し、人間社会の持続可能な繁栄を実現するための新しいデバイスが求められています。量子測定およびセンシング技術は、将来、社会インフラをサポートするシステムを完全に改革することが期待されます。この点で、製造技術は私たちがナノスケールでの定量的イメージングを達成するためにさらなる努力をするのを助けることができます」とアン博士は言います。

北陸先端科学技術大学院大学発表会