[发明专利]纳米级扫描传感器

说明书

本公开涉及纳米级扫描传感器。感测探头可以由包括一个或多个自旋缺陷的金刚石材料形成，所述自旋缺陷被构造为发射荧光，并且位于离感测探头的感测表面不超过50nm。感测探头可以包括光学解耦结构，所述光学解耦结构由所述金刚石材料形成，并且被构造为光学地将所述荧光引向光学解耦结构的输出端。光学探测器可以探测所述荧光，所述荧光从自旋缺陷发射，并且在被光学地引导通过光学解耦结构的输出端之后通过光学解耦结构的输出端出射。安装系统可以保持感测探头，并且在允许感测探头的感测表面与采样的表面之间的相对运动的同时控制感测表面与样本表面之间的距离。

本申请是于2013年8月20日提交的、PCT申请号为 PCT/US2013/055644、于2015年2月17日进入中国国家阶段、中国 国家申请号为201380044035.9、发明名称为“纳米级扫描传感器”的 申请之分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请基于2012年8月22日提交的、标题为“Nanoscale Scanning Sensors”的、序号为61/692,077的美国临时专利申请(“‘077临时 申请”)，并且依据35U.S.C 119(c)要求该申请的优先权。‘077临 时申请的全部内容通过引用并入本文，就好像被充分阐述一样。

关于联邦政府资助研究的声明

本发明是在政府支持下根据下列合同号进行的：由NIST授予的 合同号60NANB10D002；由DARPA授予的合同号HR0011-09-1-0005； 以及由DARPA授予的合同号HR0011-10-1-0073。政府对于本发明具 有某些权利。

背景技术

固态系统中的自旋缺陷，诸如金刚石中的NV(氮-空位)缺陷中 心，具有许多潜在应用。这些应用包括，但不限于，纳米级电磁场感 测、单光子显微镜检查、量子信息处理和生物成像。

基于NV中心的纳米传感器依赖于将单个氮-空位中心定位在样本 的几个纳米内、然后在采样表面上扫描它、同时保留NV中心的自旋 相干性和读出保真度的能力。

然而，现有的扫描技术受困于包括低灵敏度、低分辨率和高数据 采集时间的缺点。认为这些缺点是由于包括下列因素中的一个或多个 的若干因素导致的：由于晶体质量不良导致自旋相干时间短；自旋缺 陷与正被分析的样本表面之间的距离太大；自旋缺陷与正被分析的样 本表面之间的距离变化；以及从NV中心近场收集荧光的效率低。

例如，一种已知技术利用包含NV自旋缺陷的金刚石纳米颗粒。 金刚石纳米颗粒连附到光纤以在金刚石纳米颗粒内光学地寻址NV缺 陷，微波发生器用于当金刚石纳米颗粒紧邻将被分析的样本放置时操 纵NV缺陷的自旋状态，并且在样本的相对侧上提供探测器来探测来 自NV缺陷的荧光性。

前述构造具有若干问题。首先，虽然使用金刚石纳米颗粒确保了 NV缺陷可以靠近将被分析的样本定位，但是金刚石纳米颗粒往往具 有较差的金刚石质量，其中的NV缺陷具有很短的自旋相干时间，并 且可能在光学上不稳定，导致灵敏度不良。第二，荧光在所有方向上 发射，并且仅小部分可以被探测到。第三，探测器设置在样本的与金 刚石纳米颗粒相对的一侧，因此，所述构造仅可以用于对于荧光发射 透明的材料样本。虽然光学探测器可以定位在样本的与金刚石纳米颗 粒相同的一侧，但是难以将探测器布置为有效地捕捉荧光发射，这是 因为金刚石纳米颗粒粘附到光纤的末端，该末端阻止了探测到纳米颗 粒的与光纤相同的一侧的荧光性。

前述构造的替代方案将是使用包括具有较长的自旋相干时间的 NV缺陷的高质量单晶金刚石材料。然而，微米级单晶金刚石材料的 使用具有若干问题，包括，例如：自旋缺陷与正被分析的样本表面之 间的距离太大；自旋缺陷与正被分析的样本表面之间的距离变化；以 及从NV中心近场收集荧光的效率低。

本发明的某些实施例的目的是解决前述问题中的一个或多个。

发明内容