Pontas de diamante disponíveis comercialmente usadas em microscopia de força atômica (AFM) podem ajudar a tornar a detecção em nanoescala quântica econômica e prática, Pesquisadores do A * STAR descobriram.

A ideia de usar 'centros de cores', defeitos atômicos opticamente ativos no diamante, como uma sonda para fazer medições em nanoescala altamente sensíveis de quantidades, como campo elecromagnético, temperatura, ou cepa é bem conhecida. Na prática, Contudo, esses experimentos frequentemente exigiam a fabricação cara de nanoestruturas de diamante personalizadas e é um desafio coletar o sinal óptico muito fraco que os centros de cores produzem.

Agora, um estudo recente publicado por Victor Leong, e colegas do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais da A * STAR, e o Institute of High Performance Computing, sugere que o uso de pontas comerciais AFM de diamante em forma de pirâmide que contêm centros de vacância de silício - pode ajudar. A abordagem tem várias vantagens.

Em primeiro lugar, Os experimentos da equipe com um microscópio confocal e pontas de diamante dispostas em diferentes orientações mostram que a forma de pirâmide da ponta de diamante atua como um coletor altamente eficiente da fotoluminescência infravermelha fraca (738 nanômetros) gerada pelo centro de cor. Devido aos efeitos geométricos, uma porção maior da fotoluminescência emitida foi canalizada para a base da pirâmide, resultando em um sinal até oito vezes mais forte do que em outras direções. Nos experimentos, a base da ponta foi fixada a um cantilever de nitreto de silício, transparente à luz infravermelha, para que a fotoluminescência pudesse passar e ser coletada por um espectrofotômetro.

"Em muitas aplicações de nanosenseamento, o sinal é inerentemente muito fraco e isso representa um limite fundamental para a sensibilidade, "explicou Leong." A capacidade de coletar e detectar um sinal maior melhora muitas métricas de desempenho, como o sinal mínimo detectável, resolução e tempo de medição, por exemplo."

Em segundo lugar, essas pontas de diamante estão disponíveis comercialmente e são compatíveis com AFM e equipamento de microscópio, oferecendo um caminho para a implementação prática. "Essas pontas AFM de diamante prontas para uso são facilmente disponíveis e baratas. Custam cerca de SGD 100 cada, "comentou Leong." Se contiverem centros de cores com propriedades ópticas adequadas, eles poderiam ser um substituto de baixo custo para outras nanossondas de diamante. O custo mais baixo e a fácil disponibilidade podem ajudar a promover o rápido desenvolvimento e aceitação de aplicações tecnológicas quânticas. "

O tamanho extremamente pequeno das pontas do diamante, que têm um raio de ponta de aproximadamente 10 nanômetros e comprimento de cerca de 15 micrômetros, significa que eles podem ser aproximados extremamente da amostra a ser estudada, maximizando a sensibilidade de medição e resolução espacial. "Essas pontas de diamante podem ser potencialmente usadas em aplicações de detecção que são desafiadoras para executar com outras estruturas de diamante, por exemplo, mapear as propriedades eletromagnéticas de trincheiras profundas ou o espaço em torno de nanoestruturas próximas, "comentou Leong.

A data, a equipe se concentrou na investigação de pontas de diamante com centros de cor com vacância de silício, mas Leong diz que também é possível introduzir centros de cor com vacância de nitrogênio, que são populares em estudos de magnetometria. "O lote de pontas de diamante discutido no artigo1 foi fabricado em um processo nominalmente livre de nitrogênio e, portanto, tinha muitos centros de vacância de silício, mas muito poucos centros de vacância de nitrogênio, "explicou Leong." No entanto, outros lotes separados de pontas de diamante que obtivemos, continha altas concentrações de centros de vacância de nitrogênio. "

Agora que a equipe mostrou que a leitura óptica aprimorada é possível a partir das pontas de diamante, o próximo estágio da pesquisa será otimizar o desempenho e, em seguida, realizar alguns experimentos reais de detecção "Planejamos implantar essas dicas em aplicações práticas de nanossensibilização. As ideias atuais incluem detecção magnética em nanoescala e estudos de superfície, "disse Leong.