基于金剛石固態(tài)自旋體系的電磁場納米成像譜儀研制
發(fā)布時間：2021-08-31 06:36
金剛石中的氮-空位（Nitrogen-Vacancy,NV）色心,是一種室溫大氣環(huán)境下性質優(yōu)異的固態(tài)自旋。其作為一種弱磁弱電信號量子探針,在電磁測量以及成像方面具有天生的優(yōu)勢。其毫秒級的量子相干性質,使得它具有非常高的探測靈敏度;其電子自旋結構局域在原子尺度內,使得它具有納米級別的高空間分辨成像能力。在如今高速發(fā)展的生物分子以及二維材料等領域,原子分子以及電子的排布結構決定了分子和材料的功能。室溫大氣環(huán)境下具有單電子甚至單核探測靈敏度和納米級空間成像分辨率的NV色心,在這些領域將具有重要的應用價值。NV色心的研究可以追溯到上世紀六十年代,但是基于NV色心的量子電磁探測技術才發(fā)展了不到二十年。因此基于NV色心的電磁場成像譜儀仍然沒有成型的商業(yè)產品,這使得這一技術在實際應用中操作困難且工作效率低下。我博士期間工作主要集中在如何研制出一臺高效穩(wěn)定的譜儀,并且將在本論文中闡述其原理、結構以及應用。在本論文中,我將對基于NV色心的納米電磁場成像的譜儀研制進行系統(tǒng)性的研究。論文將分三大部分:1.通過對金剛石中NV色心的電子以及自旋能級結構進行介紹,并以此為基礎,展示NV色心這一體系量子態(tài)的極化、量...
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：141 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖２．２金剛石中的Ｃ框架和ＮＶ色心
?第２章金剛石中的氮－空位色心???（ａ）?（ｂ）??＿丨＿馨丨弈?ｉ??ｌｉ?ｌｉ?ｉｉ?ｉｉ?？ｌｎｓ??ｅｘ?ｅｙ?Ｊ?ｅｙ?、?—＾??ｉｔ?１?ｉｉ?１．９４５ｅＶ?２?１９〇ｅＶ??ａｉ?；?ａｉ?＼?Ｍ?ＩＥ???�。。�?．?”?－－ｓｏｎｓ??３Ａ２?ｅｅ??圖２．３?（ａ）?ＮＶ色心的軌道結構。左右分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)時電子在軌道上的的分布。??紅色箭頭表示電子，藍色箭頭表示空穴。方向代表電子（空穴）自旋方向。（ｂ）ＮＶ色??心能級結構圖。黃色區(qū)域表示基態(tài)，藍色區(qū)域表示第一激發(fā)態(tài)。左邊是自旋三重態(tài)，??右邊為自旋單重態(tài)。能級上方的時間表示能級壽命。紅色實線表示輻射躍遷，藍色??虛線表示非輻射躍遷。??道。根據泡利不相容原理，自旋只能是對稱的三重態(tài)，所以能級??記為Ｍ２，激發(fā)態(tài)記為３五。對稱軌道（ｅＷｙ＋ｅｙｅａ；），（ｅｊ＾－ｅｙｅｙ），（ｅａ＾＋ｅｙｅｙ）中自??旋為反對稱的單重態(tài)，根據對稱性構成了能量比基態(tài)較高的和１玢兩個能??級。??在上述的能級中，能夠發(fā)射和吸收熒光的躍遷為３４２與３五之間的躍遷。其??能級差為１．９４５?ｅＶ，對應光波長為６３７?ｎｍ，稱為零聲子線（ｚｅｒｏ?ｐｈｏｎｏｎ?ｌｉｎｅ，?ＺＰＬ）。??但是實際的吸收以及發(fā)射光譜位置不僅偏離６３７?ｎｍ，而且有很寬的展寬（圖２．４）。??這是因為在激發(fā)和吸收光子過程中，周圍晶格振動產生的聲子參與相互作用，引??起了斯托克斯以及反斯托克斯效應并最終導致光譜展寬和藍紅移效應［：９］。低溫??可以壓制聲子效應，使得光譜變窄＠］，可以直接用共振的紅光激發(fā)＠］。在室溫??下，通常采用能量更高的５３
第２章金剛石中的氮－空位色心??＇??Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）?ｓｐｅｃｔｒｕｍ???Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ??－／Ｔｖ??４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０?８００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??圖２．４?ＮＶ色心的吸收和激發(fā)光譜。ＺＦＬ標注的零聲子線在６３７?ｒｎｎ處。圖片來自于維基百??科詞條?“Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｖａｃａｎｃｙ?ｃｅｎｔｅｒ”。??頓量為：??Ｈ?＝?ＨＺ￥Ｓ?＋?Ｈｚｅ?＝?ＤｇｓＳ２ｚ?＋?（Ｓ２Ｘ?－?５Ｊ）?＋?７ｅ５?？?Ｓ，?（２．１）??＇?７ｆｓ???＾??其中Ｓ＝１為自旋算符。＝?２．８７ＧＨｚ是自旋相互作用導致的零場劈裂項，它??使得ＮＶ色心的叫＝０?（記為｜０〉）與ｍｓ?＝?±１?（記為丨±?１〉）去簡并。心由于Ｃ３Ｖ??對成性，一般情況下為０。但是在一些應力比較大的情況下，如納米金剛石或者金??剛石表面，ＣＷ對成性遭到破壞，可以高達數ＭＨｚ量級另外，額外施??加的電場項也會導致不為０，產生斯塔克（Ｓｔａｒｋ）效應［４：］。７ｅ?＝?２．８０３?ＭＨｚ／Ｇ??是ＮＶ色心電子自旋的旋磁比。５是額外施加的磁常一般外磁場沿著ＮＶ軸時??或者外磁場產生的賽曼劈裂遠小于零場劈裂時，本征態(tài)一般仍為｜０〉和｜?±?１〉態(tài)，??其能級結構如圖２．５所示。因此在后面的論述中不作說明的情況下一般只考慮在??ＮＶ軸上投影的磁場項。??通常ＮＶ色心周圍會存在與ＮＶ色心強耦合的核自旋，如ＮＶ色心中的Ｎ原??子以及臨近的１３Ｃ原子［４３￣？］。這些強耦合會使得ＮＶ色心的能級進一步產生超??精細劈裂。關于這些能級結
本文編號：3374398
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：141 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖２．２金剛石中的Ｃ框架和ＮＶ色心
?第２章金剛石中的氮－空位色心???（ａ）?（ｂ）??＿丨＿馨丨弈?ｉ??ｌｉ?ｌｉ?ｉｉ?ｉｉ?？ｌｎｓ??ｅｘ?ｅｙ?Ｊ?ｅｙ?、?—＾??ｉｔ?１?ｉｉ?１．９４５ｅＶ?２?１９〇ｅＶ??ａｉ?；?ａｉ?＼?Ｍ?ＩＥ???�。。�?．?”?－－ｓｏｎｓ??３Ａ２?ｅｅ??圖２．３?（ａ）?ＮＶ色心的軌道結構。左右分別為基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)時電子在軌道上的的分布。??紅色箭頭表示電子，藍色箭頭表示空穴。方向代表電子（空穴）自旋方向。（ｂ）ＮＶ色??心能級結構圖。黃色區(qū)域表示基態(tài)，藍色區(qū)域表示第一激發(fā)態(tài)。左邊是自旋三重態(tài)，??右邊為自旋單重態(tài)。能級上方的時間表示能級壽命。紅色實線表示輻射躍遷，藍色??虛線表示非輻射躍遷。??道。根據泡利不相容原理，自旋只能是對稱的三重態(tài)，所以能級??記為Ｍ２，激發(fā)態(tài)記為３五。對稱軌道（ｅＷｙ＋ｅｙｅａ；），（ｅｊ＾－ｅｙｅｙ），（ｅａ＾＋ｅｙｅｙ）中自??旋為反對稱的單重態(tài)，根據對稱性構成了能量比基態(tài)較高的和１玢兩個能??級。??在上述的能級中，能夠發(fā)射和吸收熒光的躍遷為３４２與３五之間的躍遷。其??能級差為１．９４５?ｅＶ，對應光波長為６３７?ｎｍ，稱為零聲子線（ｚｅｒｏ?ｐｈｏｎｏｎ?ｌｉｎｅ，?ＺＰＬ）。??但是實際的吸收以及發(fā)射光譜位置不僅偏離６３７?ｎｍ，而且有很寬的展寬（圖２．４）。??這是因為在激發(fā)和吸收光子過程中，周圍晶格振動產生的聲子參與相互作用，引??起了斯托克斯以及反斯托克斯效應并最終導致光譜展寬和藍紅移效應［：９］。低溫??可以壓制聲子效應，使得光譜變窄＠］，可以直接用共振的紅光激發(fā)＠］。在室溫??下，通常采用能量更高的５３
第２章金剛石中的氮－空位色心??＇??Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）?ｓｐｅｃｔｒｕｍ???Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ??－／Ｔｖ??４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００?７５０?８００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??圖２．４?ＮＶ色心的吸收和激發(fā)光譜。ＺＦＬ標注的零聲子線在６３７?ｒｎｎ處。圖片來自于維基百??科詞條?“Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｖａｃａｎｃｙ?ｃｅｎｔｅｒ”。??頓量為：??Ｈ?＝?ＨＺ￥Ｓ?＋?Ｈｚｅ?＝?ＤｇｓＳ２ｚ?＋?（Ｓ２Ｘ?－?５Ｊ）?＋?７ｅ５?？?Ｓ，?（２．１）??＇?７ｆｓ???＾??其中Ｓ＝１為自旋算符。＝?２．８７ＧＨｚ是自旋相互作用導致的零場劈裂項，它??使得ＮＶ色心的叫＝０?（記為｜０〉）與ｍｓ?＝?±１?（記為丨±?１〉）去簡并。心由于Ｃ３Ｖ??對成性，一般情況下為０。但是在一些應力比較大的情況下，如納米金剛石或者金??剛石表面，ＣＷ對成性遭到破壞，可以高達數ＭＨｚ量級另外，額外施??加的電場項也會導致不為０，產生斯塔克（Ｓｔａｒｋ）效應［４：］。７ｅ?＝?２．８０３?ＭＨｚ／Ｇ??是ＮＶ色心電子自旋的旋磁比。５是額外施加的磁常一般外磁場沿著ＮＶ軸時??或者外磁場產生的賽曼劈裂遠小于零場劈裂時，本征態(tài)一般仍為｜０〉和｜?±?１〉態(tài)，??其能級結構如圖２．５所示。因此在后面的論述中不作說明的情況下一般只考慮在??ＮＶ軸上投影的磁場項。??通常ＮＶ色心周圍會存在與ＮＶ色心強耦合的核自旋，如ＮＶ色心中的Ｎ原??子以及臨近的１３Ｃ原子［４３￣？］。這些強耦合會使得ＮＶ色心的能級進一步產生超??精細劈裂。關于這些能級結
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