Las puntas de diamante disponibles comercialmente utilizadas en microscopía de fuerza atómica (AFM) podrían ayudar a que la detección cuántica a nanoescala sea rentable y práctica. Los investigadores de A * STAR han encontrado.

La idea de utilizar 'centros de color', defectos atómicos ópticamente activos en el diamante, como sonda para tomar medidas a nanoescala de gran sensibilidad de cantidades como el campo electromagnético, temperatura, o cepa es bien conocida. En la práctica, sin embargo, Estos experimentos a menudo requerían la costosa fabricación de nanoestructuras de diamante diseñadas a medida y es un desafío recolectar la señal óptica muy débil que producen los centros de color.

Ahora, un estudio reciente publicado por Victor Leong, y colegas del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales de A * STAR, y el Instituto de Computación de Alto Rendimiento, sugiere que el uso de puntas AFM de diamantes en forma de pirámide comerciales que contienen centros vacantes de silicio podría ayudar. El enfoque tiene varias ventajas.

Primeramente, Los experimentos del equipo con un microscopio confocal y puntas de diamante dispuestas en diferentes orientaciones muestran que la forma piramidal de la punta de diamante actúa como un colector altamente eficiente de la fotoluminiscencia infrarroja débil (738 nanómetros) generada por el centro de color. Debido a los efectos geométricos, una mayor parte de la fotoluminiscencia emitida se canalizó a la base de la pirámide, resultando en una señal hasta ocho veces más fuerte que en otras direcciones. En los experimentos, la base de la punta estaba unida a un voladizo de nitruro de silicio, transparente a la luz infrarroja, de modo que la fotoluminiscencia pudiera atravesarla y ser recogida por un espectrofotómetro.

"En muchas aplicaciones de nanosensibilidad, la señal es inherentemente muy débil y esto plantea un límite fundamental a la sensibilidad, "explicó Leong." La capacidad de recopilar y detectar una señal más grande mejora muchas métricas de rendimiento, como la señal mínima detectable, tiempo de resolución y medición, por ejemplo."

En segundo lugar, estas puntas de diamante están disponibles comercialmente y son compatibles con AFM y equipos de microscopio, ofreciendo un camino hacia la implementación práctica. "Estas puntas AFM de diamante listas para usar están fácilmente disponibles y son económicas. Cuestan alrededor de SGD 100 cada una, "comentó Leong." Si contienen centros de color con propiedades ópticas adecuadas, podrían ser un sustituto de bajo costo para otras nanoprobes de diamante. El menor costo y la fácil disponibilidad podrían ayudar a promover el rápido desarrollo y la adopción de aplicaciones de tecnología cuántica ".

El tamaño extremadamente pequeño de las puntas de diamante, que tienen un radio de punta de aproximadamente 10 nanómetros y una longitud de alrededor de 15 micrómetros, significa que se pueden acercar mucho a la muestra que se va a estudiar, maximizando la sensibilidad de la medición y la resolución espacial. "Estas puntas de diamante podrían usarse potencialmente en aplicaciones de detección que son difíciles de realizar con otras estructuras de diamante, por ejemplo, mapear las propiedades electromagnéticas de trincheras profundas o el espacio alrededor de nanoestructuras cercanas, "comentó Leong.

Hasta la fecha, el equipo se ha centrado en investigar puntas de diamante con centros de color de vacantes de silicio, pero Leong dice que también es posible introducir centros de color de vacantes de nitrógeno que son populares en los estudios de magnetometría. "El lote de puntas de diamante discutido en el documento1 se fabricó en un proceso nominalmente libre de nitrógeno y, por lo tanto, tenía muchos centros vacantes de silicio pero muy pocos centros vacantes de nitrógeno, "explicó Leong." Sin embargo, otros lotes separados de puntas de diamante que obtuvimos, contenía altas concentraciones de centros vacantes de nitrógeno ".

Ahora que el equipo ha demostrado que es posible una lectura óptica mejorada a partir de las puntas de diamante, la siguiente etapa de la investigación será optimizar el rendimiento y luego realizar algunos experimentos de detección reales "Planeamos implementar estos consejos en aplicaciones prácticas de nanosensores. Las ideas actuales incluyen detección magnética a nanoescala y estudios de superficie, "dijo Leong.