CN109001493B - 一种金刚石氮空位扫描与afm集成的高精度测磁显微装置 - Google Patents

一种金刚石氮空位扫描与afm集成的高精度测磁显微装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于原子力显微镜与金刚石氮空位测磁领域，具体为一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，装置包括实验座、中央磁场台、AFM实验台和NV激发收集系统。外基座通过减震弹簧连接中央减震台；磁场固定台上搭载AFM系统，其中AFM系统由四象限光电座、探针台、样品台和激光台组成；磁场固定台搭载NV激发收集系统，激光器发射的激光经过激发光纤在转换头由二色镜反射后聚焦于探针针尖激发金刚石NV。多次聚焦激光聚焦于靠近样品的探针针尖上，激发生成的荧光由位于探针下方的荧光收集镜采集经收集光纤传送至光子计数器分析其荧光信号；激光台控制激光聚焦于探针的悬臂反射至四象限光电转换器，检测探针振动频率的偏移计算原子作用力。

Description

一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置
技术领域
本发明属于原子力显微镜与金刚石氮空位测磁领域，具体为一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置。
背景技术
金刚石氮空位NV由于具有很好的光学性质和顺磁性容易采用光学和顺磁共振的手段进行区分，并且稳定性好，电子自旋相干时间长，可以被激光和微波操控，近年已成为研究热点。近年基于金刚石NV色心的高精度磁强计在蓬勃发展，在磁场测量领域，NV具有高分辨率可用于高精度的弱磁场检测，具有极大的磁场测量发展潜力。通过测量自旋方向的不同感知其产生磁场的变化，就可以制成高精度的原子陀螺仪、新一代的量子计算机。这些新一代的量子元件,将会比传统电子元件的精确度和灵敏度高几个数量级，信息储存量高很多，而寿命却长的多，并可以多次重复使用，同时这些元件还具有固有的记忆功能。所以，微弱磁场测量仪器的研制和发展在国民经济、科学技术、军事和医疗等领域发挥了重要作用。现阶段，超高真空环境下的原子、分子精密测量（控制）系统对纳米或者原子级磁现象的研究与控制，对于理解物质的基本物理性质以及开发基于磁现象的导航定位、新型纳米材料、数据存储、新一代量子计算机以及自旋电子器件起到关键的作用。它们可以利用人类已经了解的原子、分子或光子来制造理想干净的量子系统，不但是量子信息和量子模拟的最佳选择，同时提供了精密测量各种物理量的最佳环境。
现阶段对微弱磁信息的研究和成像的精密测量系统主要有超高灵敏度的磁强计（比如，利用气相碱性原子的光磁强计和基于单个自旋的扫描磁场显微镜等）、极性灵敏电子显微镜（Polarization sensitive electron microscopy(PSEM)）、磁力显微镜（MFM）、磁共振力显微镜（Magnetic Resonance force microscopy(MRFM)）、磁交换力显微镜（Magnetic Exchange Force Microscopy（MExFM））以及扫描隧道显微镜（STM）等。实践表明，上述各种磁性材料表面信息测量工具由于自身结构所限，存在如下问题：其一，使用固态电子自旋得到磁传感高灵敏度的基本挑战是自旋对局域环境的强耦合效应，这种效应能够限制自由旋进（procession）时间，因此降低了磁强计的灵敏度。其二，利用气相碱性原子的磁强计主要用于微、毫或者飞米特斯拉级的微弱磁场检测。上述类型磁强计不能观测磁性材料表面或者体内磁信息的性质，也不能成像。其三，SP-STM和MExFM测量系统不能分离表面形貌信息和自旋磁性信息，同时这两种测量系统不能用来实时测量外部微弱磁场的变化。基于此，有必要提出一种新的方法结合磁强计、SP-STM和MExFM的优点，使得新开发的精密测量系统既能克服现有磁强计光子吸收效率和灵敏度低等缺点，又能观测磁性材料表面或者体内磁信息，并以图像的形式呈现出来；且能够在测非磁性材料表面时，测出所施加外磁场的变化。
原子力显微镜（AFM）是研究nm尺度的物体表面形貌的重要工具，现如今已被广泛的应用于物理、生物、化学等研究领域。其通过针尖只有一个原子大小的探针在非常近的距离探测物体表面的情况，可以分辨其他显微镜所无法分辨的极小尺寸上的表面细节与特征。原子力显微镜在原理上利用物质之间相互作用的原子力为检测的物理量，在超高真空的环境下可以对物体表面进行高精度的测量，可达到原子分辨率nm量级以下。并且使用AFM测量的样品无论是否导电，其都具有原子力，可以使用AFM进行测量。综上所述，在纳米尺寸，分子水平上AFM是最先进的测试仪器，具有很多优点。将金刚石氮空位磁探测与AFM结合可实现高精度测磁显微，是当前研究的热点。
发明内容
本发明的目的是实现高精度测磁显微。
本发明对AFM系统进行简化并与金刚石NV磁探测系统结合实现了高精度测磁显微。具体实现技术方面，本发明运用激光台与四象限光电座实现了对AFM光学反馈回路的简化与集成化；巧妙的将磁悬与弹性悬挂平台结合提供了抗震性较好的实验平台；磁场线圈与实验台有机结合实现了实验台的微小化和集成化。
为了达到上述目的，本发明实现目的采用的技术方案为：一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，包括实验座、中央磁场台、AFM实验台和NV激发收集系统；
所述实验座包括框状的外基座、支柱、减震弹簧和中央减震台；其中外基座上分布安装有支柱，减震弹簧一端固定在支柱上，另一端与位于外基座内环处的中央减震台的角点连接，中央减震台上开有圆柱孔；
所述中央磁场台包括磁场固定台、线圈固定板、X方向线圈、Y方向线圈和Z方向线圈；所述磁场固定台安装在中央减震台上，磁场固定台上开有圆柱孔， Y方向线圈固定安装于磁场固定台两侧的安装槽中；X方向线圈安装于中央减震台前后两侧的槽中；Z方向线圈下部竖直安装于磁场固定台四周的环形凸缘外围，其上部固定连接于两侧的Y方向线圈；
AFM实验台包括四象限光电座、探针台、样品台与激光台，样品台、四象限光电座、探针台、激光台都固定在磁场固定台的上表面，探针台上探针的针尖位于磁场固定台中央的圆柱孔正上方；
NV激发收集系统包括激光器、激发光纤、转换头、二色镜、凸透镜、物镜、顶部支架、荧光收集镜、收集凸透镜、收集光纤、光子计数器、光电探测器、微波天线，所述顶部支架安装于Z方向线圈的上部，其中央有向下伸出的圆锥套，凸透镜设置在圆锥套内，物镜固定在圆锥套的下方；激光器、光子计数器安装于外基座上，激光经过激发光纤传入安装于顶部支架上方的转换头，二色镜倾斜安装在转换头内部，光电探测器安装在转换头上方，激光由激发光纤传入后经过二色镜反射竖直向下传递，经过凸透镜聚焦后聚焦于物镜再由物镜聚焦于探针针尖；激发后生成的荧光分别由物镜经过凸透镜后穿过二色镜被安装在转换头上方的光电探测器检测，另由安装于磁场固定台圆柱孔处的荧光收集镜收集并由下面的收集凸透镜经收集光纤传递到光子计数器，微波天线安装于探针座上方，尽量靠近探针针尖，以方便对探针针尖处的金刚石中NV色心进行调控。
上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，中央减震台的外围4个面分别固定有磁铁，外基座内环4个面对应安装有磁铁，类比于磁悬浮原理进行减震。
上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，四象限光电座包括光电基座、四象限光电转换器、光电驱动球和光电压电驱动器；所述光电基座固定于磁场固定台上，其内部3个面中央位置固定有光电压电驱动器，在3个光电压电驱动器上固定有半球形的光电驱动球，在光电驱动球平面上固定有四象限光电转换器。
上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，探针台包括探针驱动座、探针压电驱动器、蓝宝石板、探针基座、探针座、紧定螺钉、弹簧压片和探针，探针压电驱动器固定于磁场固定台上且位于样品台前方，探针压电驱动器对探针驱动座进行驱动，探针基座半包围探针座，探针通过弹簧压片由紧定螺钉固定于探针座上，并由探针基座固定于探针驱动座上。
上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，激光台包括激光基座、激光压电驱动器、激光凸透镜、激光座、透镜驱动器、半导体激光器和激光驱动球；所述激光基座固定于磁场固定台上，其内3面中央分别固定有激光压电驱动器，在3个激光压电驱动器上固定有半球形的激光驱动球，激光驱动球上平面依次安装有激光凸透镜和激光座，在激光座一端安装有半导体激光器，激光凸透镜由其两侧的透镜驱动器控制其前后移动进行聚焦调节。
本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：
1、将金刚石氮空位测磁技术与AFM集成，实现了高精度测磁显微。
2、对AFM的激光反馈回路进行集成和简化，降低了调节的难度，并提高了集成度，有利于后面进一步集成。
3、将AFM实验台与金刚石氮空位调控测量实验台进行了结合并加入了消磁线圈(X、Y 、Z方向线圈)，实现了高抗干扰能力的磁场调控实验台。
4、对金刚石氮空位调控实验系统进行简化和集成，实现了集成化和模块化。
附图说明
图1为本发明的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置等轴测视图。
图2为本发明的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置主视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为中央磁场台的主视图。
图5为中央磁场台的俯视图。
图6为图5的A-A剖视图。
图7为AFM实验台等轴测视图。
图8为AFM实验台主视图。
图9为AFM实验台俯视图。
图10为探针台示意图。
图11为激光台示意图。
图12为四象限光电座示意图。
图13为NV激发收集系统等轴侧视图。
图14为NV激发收集系统主视图。
图15为提图14的A-A剖视图。
图中：1-实验座；2-中央磁场台；3-AFM实验台；4 -NV激发收集系统。
1-1-外基座；1-2-支柱；1-3-夹头；1-4-减震弹簧；1-5-磁铁；1-6-中央减震台。
2-1-磁场固定台；2-2-线圈固定板；2-3-X方向线圈；2-4-Y方向线圈；2-5-Z方向线圈。
3-1-四象限光电座；3-2-探针台；3-3-样品台；3-4-激光台。
3-1-1-光电基座；3-1-2-四象限光电转化器；3-1-3-光电驱动球；3-1-4-光电压电驱动器。
3-2-1-探针驱动座；3-2-2-探针压电驱动器；3-2-3-蓝宝石板；3-2-4-探针基座；3-2-5-探针座；3-2-6-紧定螺钉；3-2-7-弹簧压片；3-2-8-探针。
3-4-1-激光基座；3-4-2-激光压电驱动器；3-4-3-激光凸透镜；3-4-4-激光座；3-4-5-透镜驱动器；3-4-6-半导体激光器；3-4-7-激光驱动球。
4-1-激光器；4-2-激发光纤；4-3-转换头；4-4-二色镜；4-5-凸透镜；4-6-物镜；4-7-顶部支架；4-8-荧光收集镜；4-9-收集凸透镜；4-10-收集光纤；4-11-光子计数器；4-12-光电探测器；4-13-微波天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。
如附图1到附图3所示，为本发明的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，包括实验座1、中央磁场台2、AFM实验台3和NV激发收集系统4。
所述实验座1包括外基座1-1、支柱1-2、夹头1-3、减震弹簧1-4、磁铁1-5和中央减震台1-6；外基座1-1为方框状，外基座1-1靠近内环的四个角点分布安装有圆柱支柱1-2，并在支柱1-2靠近上端的位置固定有夹头1-3，减震弹簧1-4一端与夹头1-3连接，另一端与中央减震台1-6的四个角点连接；所述中央减震台1-6的外围4个面分别固定有磁铁1-4，与外基座1-1内环4个面对应安装的磁铁相对进行减震。
如附图4到附图6所示，为本发明所设计的中央磁场台2。所述中央磁场台2包括磁场固定台2-1、线圈固定板2-2、X方向线圈2-3、Y方向线圈2-4和Z方向线圈2-5；所述磁场固定台2-1通过螺栓安装于中央减震台1-6的中央，Y方向线圈2-4由线圈固定板2-2通过螺栓固定安装于磁场固定台2-1两侧的安装槽中；所述X方向线圈2-3安装于中央减震台1-6前后两侧的槽中，由磁场固定台2-1与中央减震台1-6配合固定；所述Z方向线圈2-5下部竖直安装于磁场固定台四周的环形凸缘外围，其上部固定连接于两侧的Y方向线圈。
如附图7到附图9所示，为本发明设计的AFM实验台3。所述AFM实验台3包括四象限光电座3-1、探针台3-2、样品台3-3与激光台3-4。所述样品台3-3固定于磁场固定台2-1上表面的一侧边；所述探针台3-2下部的探针压电驱动器固定连接于磁场固定台2-1的上表面，保持探针的针尖位于磁场固定台2-1中央的圆柱孔正上方。
如附图12所示为四象限光电座3-1。所述四象限光电座3-1包括光电基座3-1-1、四象限光电转换器3-1-2、光电驱动球3-1-3和光电压电驱动器3-1-4；所述光电基座3-1-1固定于磁场固定台2-1上，其内部3个面中央位置固定有光电压电驱动器3-1-4，由在内部角处安装有吸附磁铁对光电驱动球3-1-3吸引（光电驱动球的材料可选用不锈钢），在3个光电压电驱动器3-1-4上固定有半球形的光电驱动球3-1-3，在光电驱动球平面上固定有四象限光电转换器3-1-2。
如附图10所示，为探针台3-2。所述探针台包括探针驱动座3-2-1、探针压电驱动器3-2-2、蓝宝石板3-2-3、探针基座3-2-4、探针座3-2-5、紧定螺钉3-2-6、弹簧压片3-2-7和探针3-2-8。所述探针压电驱动器3-2-1固定于磁场固定台2-1位于样品座前方，对探针驱动座进行驱动3-2-1，探针基座3-2-4半包围探针座，探针通过弹簧压片3-2-7由紧定螺钉3-2-6固定于探针座3-2-5上，并由探针基座3-2-4固定于探针驱动座3-2-1上。
如附图11所示为激光台3-4。所述激光台包括激光基座3-4-1，激光压电驱动器3-4-2、激光凸透镜3-4-3、激光座3-4-4、透镜驱动器3-4-5、半导体激光器3-4-6和激光驱动球3-4-7；所述激光基座3-4-1固定于磁场固定台2-1上，其内3面中央分别固定有激光压电驱动器3-4-2，其内部角处固定有吸附磁铁对激光驱动球3-4-7进行吸附定位（激光驱动球的材料可选用不锈钢），激光驱动球3-4-7固定在激光压电驱动器3-4-2上，激光驱动球3-4-7上平面依次安装有2个激光凸透镜3-4-3和激光座3-4-4，在激光座3-4-4一端安装有半导体激光器3-4-6，激光凸透镜3-4-3由其两侧的透镜驱动器3-4-5控制其前后移动进行聚焦调节。
如附图13到附图15所示，为本发明所设计的NV激发收集系统4。所述NV激发收集系统包括激光器4-1、激发光纤4-2、转换头4-3、二色镜4-4、凸透镜4-5、物镜4-6、顶部支架4-7、荧光收集镜4-8、收集凸透镜4-9、收集光纤4-10、光子技术器4-11、光电探测器4-12、微波天线4-13。所述顶部支架4-7安装于Z方向线圈的上部，其中央有向下伸出的圆锥套，凸透镜4-5设置在圆锥套内，物镜4-6固定在圆锥套的下方；所述激光器4-1和光子技术器4-11通过螺栓安装于外基座1-1的一边，激发的激光经过激发光纤4-2传入安装于顶部支架4-7上方的转换头4-3，转换头4-3内部倾斜安装有二色镜4-4，637nm波长的激发激光由激发光纤4-2传入后经过二色镜4-4反射竖直向下传递，经过2个凸透镜4-5聚焦后聚焦于物镜4-6再由物镜4-6聚焦于探针3-2-8针尖；激发后生成的荧光分别由物镜4-6经过凸透镜4-5后穿过二色镜4-4被安装在转换头上方的光电探测器4-12检测，另由安装于磁场固定台中心孔处的荧光收集镜4-8收集并由下面的两个收集凸透镜4-9经收集光纤4-10传递到光子技术器4-11，进行检测。所述微波天线4-13安装于探针座上方，靠近探针对探针针尖处的NV进行调控。
所述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置工作方式，具体为：
1、AFM工作方式：半导体激光器3-4-6发出的激光经过激光凸透镜3-4-7进行二次聚焦，通过控制透镜驱动器3-4-5调节聚焦的距离和深度以及激光光斑的尺寸，另使用激光压电驱动器3-4-2控制激光驱动球3-4-7在空间中偏转的角度，使得激光聚焦于探针的悬臂上，并向四象限光电转化器3-1-2上反射；光电驱动座通过光电压电驱动器3-1-4控制光电驱动球3-1-3使得反射的激光光斑照射于四象限光电转换器3-1-2中心。AFM处于动态模式，即探针工作于其共振频率，四象限探测器检测光斑的变化，样品座的样品与探针距离极小，进行扫描探测四象限光电转换器上光斑的变化，计算样品表面形貌，并且不同的此信息对光斑变化也有影响进行对比解算。
2、金刚石氮空位磁测量：激光器4-1激光经过激发光纤4-2传递至二色镜4-4，经二色镜4-4反射后多次聚焦于探针针尖处(探针的针尖由金刚石制成，金刚石内有集群NV色心)，对针尖处的NV进行激发，并由物镜4-6和荧光收集镜4-8进行采集，由光电探测器4-12和光子计数器4-11进行检测，计算样品的磁信息。
上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，包括AFM实验台（3）和NV激发收集系统（4），其特征在于还包括实验座（1）和中央磁场台（2）；
所述实验座（1）包括框状的外基座（1-1）、支柱（1-2）、减震弹簧（1-4）和中央减震台（1-6）；其中外基座（1-1）上分布安装有支柱（1-2），减震弹簧（1-4）一端固定在支柱（1-2）上，另一端与位于外基座（1-1）内环处的中央减震台（1-6）的角点连接，中央减震台（1-6）上开有圆柱孔；
所述中央磁场台（2）包括磁场固定台（2-1）、线圈固定板（2-2）、X方向线圈（2-3）、Y方向线圈（2-4）和Z方向线圈（2-5）；所述磁场固定台（2-1）安装在中央减震台（1-6）上，磁场固定台（2-1）上开有与中央减震台上的圆柱孔同轴的圆柱孔，Y方向线圈（2-4）固定安装于磁场固定台（2-1）上；X方向线圈（2-3）安装于中央减震台（1-6）上；Z方向线圈（ 2-5 ） 下部竖直安装于磁场固定台（2-1）四周的环形凸缘外围，其上部固定连接于两侧的Y方向线圈（2-4）；
AFM实验台（3）包括四象限光电座（3-1）、探针台（3-2）、样品台（3-3）与激光台（3-4），样品台（3-3）、四象限光电座（3-1）、探针台（3-2）、激光台（3-4）都固定在磁场固定台（2-1）的上表面，探针台（3-2）上探针的针尖位于磁场固定台（2-1）的圆柱孔正上方；
NV激发收集系统（4）包括激光器（4-1）、激发光纤（4-2）、转换头（4-3）、二色镜（4-4）、凸透镜（4-5）、物镜（4-6）、顶部支架（4-7）、荧光收集镜（4-8）、收集凸透镜（4-9）、收集光纤（4-10）、光子计数器（4-11）、光电探测器（4-12）和微波天线（4-13），所述顶部支架（4-7）安装于Z方向线圈（2-5）的上部，其中央有向下伸出的圆锥套，凸透镜（4-5）设置在圆锥套内，物镜（4-6）固定在圆锥套的下方；激光器（4-1）、光子计数器（4-11）安装于外基座（1-1）上，激光经过激发光纤（4-2）传入安装于顶部支架（4-7）上方的转换头（4-3），二色镜（4-4）倾斜安装在转换头（4-3）内部，光电探测器（4-12）安装在转换头（4-3）上方，激光由激发光纤（4-2）传入后经过二色镜（4-4）反射竖直向下传递，经过凸透镜（4-5）聚焦后聚焦于物镜（4-6）再由物镜（4-6）聚焦于探针（3-2-8）针尖；激发后生成的荧光分别由物镜（4-6）经过凸透镜（4-5）后穿过二色镜（4-4）被安装在转换头上方的光电探测器（4-12）检测，另由安装于磁场固定台（2-1）圆柱孔处的荧光收集镜（4-8）收集并由固定于荧光收集镜（4-8）下方的收集凸透镜（4-9）经收集光纤（4-10）传递到光子计数器（4-11），微波天线（4-13）安装于探针座上方，对探针针尖处的NV进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，其特征在于中央减震台（1-6）的外围4个面分别固定有磁铁（1-5），外基座（1-1）内环4个面对应安装有磁铁，进行减震。
3.根据权利要求1或2所述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，其特征在于四象限光电座（3-1）包括光电基座（3-1-1）、四象限光电转换器（3-1-2）、光电驱动球（3-1-3）和光电压电驱动器（3-1-4）；所述光电基座（3-1-1）固定于磁场固定台（2-1）上，其内部3个面中央位置固定有光电压电驱动器（3-1-4），在3个光电压电驱动器（3-1-4）上固定有半球形的光电驱动球（3-1-3），在光电驱动球平面上固定有四象限光电转换器（3-1-2）。
4.根据权利要求1或2所述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，其特征在于探针台（3-2）包括探针驱动座（3-2-1）、探针压电驱动器（3-2-2）、蓝宝石板（3-2-3）、探针基座（3-2-4）、探针座（3-2-5）、紧定螺钉（3-2-6）、弹簧压片（3-2-7）和探针（3-2-8），探针压电驱动器（3-2-2）固定于磁场固定台（2-1）上且位于样品台（3-3）前方，探针压电驱动器（3-2-2）对探针驱动座（3-2-1）进行驱动，探针基座（3-2-4）半包围探针座（3-2-5），探针（3-2-8）通过弹簧压片（3-2-7）由紧定螺钉（3-2-6）固定于探针座（3-2-5）上，并由探针基座（3-2-4）固定于探针驱动座（3-2-1）上。
5.根据权利要求1或2所述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置，其特征在于激光台（3-4）包括激光基座（3-4-1）、激光压电驱动器（3-4-2）、激光凸透镜（3-4-3）、激光座（3-4-4）、透镜驱动器（3-4-5）、半导体激光器（3-4-6）和激光驱动球（3-4-7）；所述激光基座（3-4-1）固定于磁场固定台（2-1）上，其内3面中央分别固定有激光压电驱动器（3-4-2），在3个激光压电驱动器（3-4-2）上固定有半球形的激光驱动球（3-4-7），激光驱动球（3-4-7）上平面依次安装有激光凸透镜（3-4-3）和激光座（3-4-4），在激光座（3-4-4）一端安装有半导体激光器（3-4-6），激光凸透镜（3-4-3）由其两侧的透镜驱动器（3-4-5）控制其前后移动进行聚焦调节。
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