中國科學技術(shù)大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人在金剛石量子器件制備方向取得重要進展，發(fā)展了一種全新的基于自對準的光子學器件制備加工技術(shù)，可將氮-空位色心這一原子級量子傳感器以納米級精度加工到金剛石器件最佳工作位置，實現(xiàn)接近最優(yōu)光學探測性能的量子傳感器陣列。這項研究成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”為題發(fā)表在《科學進展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。

金剛石，俗稱“鉆石”，具有高硬度、高穩(wěn)定性、高透光性、高熱導率以及超高的禁帶寬度等優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在超精密加工、光學材料以及半導體電子器件等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應用。近十多年來，科學家發(fā)現(xiàn)金剛石中一種可以發(fā)光的原子尺度晶格缺陷--氮-空位色心（簡稱NV色心）具有極大的量子應用前景，讓存在缺陷的不“完美”金剛石變得在實用性上更加“完美”。NV色心不僅可以以納米空間分辨率對電磁場、壓力等多種物理量在室溫大氣乃至極端環(huán)境下進行精密測量，也可以建立多體量子糾纏，用于研究量子信息等基礎(chǔ)問題，在前沿基礎(chǔ)科學、高科技產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域有重大應用價值。

圖1：制備技術(shù)方法示意圖。

制備高性能金剛石量子器件是金剛石量子信息技術(shù)實用化的關(guān)鍵技術(shù)。以金剛石量子傳感器為例，其原理是利用器件內(nèi)的NV色心將外界的微弱物理信號轉(zhuǎn)換為自身熒光強度信號來進行探測，因此在不犧牲其他物理性質(zhì)前提下，提高NV色心光子計數(shù)率是提升傳感器性能的一個關(guān)鍵指標。在過去幾年中，人們積極致力于開發(fā)用于提高NV色心熒光強度的金剛石微納米光子學結(jié)構(gòu)，例如固體浸沒透鏡、柱形波導、圓形牛眼光柵、拋物面反射器、倒置納米錐等。但目前傳統(tǒng)的制備技術(shù)無法精確控制微納米結(jié)構(gòu)中NV色心位置，導致器件制備效率低下，性能難以達到預期(圖2(a))，其主要原因是NV色心制備工藝和金剛石結(jié)構(gòu)刻蝕工藝之間的對準難題(圖1左)。通常這一對準精度需要優(yōu)于20納米，方能達到光學器件理論上最優(yōu)的光學性能。

圖2：器件制造效果展示。（a）傳統(tǒng)工藝制造器件光學計數(shù)率分布；（b）自對準工藝制造器件光學計數(shù)率分布；（c）金剛石納米柱傳感陣列電鏡照片；（d）單個NV色心熒光飽和曲線測試。

針對以上難題，本工作研究團隊發(fā)展了一種基于自對準策略的光子學器件加工技術(shù)，通過雙層掩膜圖形化工藝設(shè)計實現(xiàn)生成NV色心所需的氮離子注入工藝和金剛石結(jié)構(gòu)刻蝕工藝的自對準，精度可以達到15納米(圖1右)。使用該技術(shù)，研究團隊實現(xiàn)了高性能金剛石納米柱傳感陣列的制造，該納米柱傳感器可用于生物傳感、納米級磁性材料成像等前沿應用。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，器件顯示出高度一致且最優(yōu)的光子計數(shù)率以及接近理論預期的器件產(chǎn)率。通過金剛石晶體取向進一步控制熒光發(fā)射偶極方向，團隊最終實現(xiàn)單個NV色心飽和光子計數(shù)率達到~4.34Mcps，熒光強度提升大約20倍(圖2)。

該方法具有可工程化、簡單且高精度的特點，不僅可批量化制備高性能金剛石量子傳感器，對金剛石量子技術(shù)實用化具有重要意義,還可以應用于碳化硅、稀土離子等其他固態(tài)量子體系。相關(guān)技術(shù)與器件已申請國際專利進行保護。

中科院微觀磁共振重點實驗室特任副研究員王孟祺為該論文的第一作者，杜江峰院士、王亞教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部、中科院、國家自然科學基金委和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9573