CN110462417B - 包括自旋缺陷的扫描传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器装置，该传感器装置包括载体(10)、力反馈传感器(20)和包括自旋缺陷(46)的探头(40)，该探头经由手柄结构件(30)直接或间接地连接至力反馈传感器。为了以有效且稳健的方式将自旋缺陷耦合至微波场，传感器装置包括集成的微波天线(50)，微波天线(50)布置在距自旋缺陷小于500微米的距离处。传感器装置可以构造为独立的可更换盒，其可以容易地安装在扫描探头显微镜的传感器安装部中。

Description

包括自旋缺陷的扫描传感器
技术领域
本发明涉及传感器装置，该传感器装置包括具有自旋缺陷的探头、特别地包括具有呈氮空位(NV)中心形式的自旋缺陷的金刚石探头。该传感器装置可以在扫描探头显微镜中应用，以用于通过对自旋缺陷实施光学检测磁共振(ODMR)实验并且在样品表面上扫描探头来以高灵敏度和高空间分辨率探测样品的磁性、电性或其他性质。本发明还涉及包括这种传感器装置的扫描探头显微镜、以及使用这种扫描探头显微镜来光学地检测磁共振的方法。
背景技术
对于纳米级材料科学而言，以高空间分辨率测量和分析弱磁场的能力是至关重要的。例如，来自小铁磁结构、比如磁畴、粒子和结点的杂散场的成像对于下一代数据存储介质和自旋电子器件的开发非常有帮助。杂散场的成像进一步提供了研究包括斯格明子、铁电体、复合氧化物和拓扑绝缘体的新型材料和相的方法。另外，纳米级磁测量可以用来映射应用于半导体物理、集成电路以及能量研究中的薄光活性薄膜的纳米级导体中的二维电流密度。遗憾的是，尽管付出了相当大的努力，但以纳米空间分辨率测量弱磁场仍然非常具有挑战性，并且现有技术仍然不足以支持。
WO 2014/051886 A1提出了采用扫描力显微镜机构在表面上扫描包括NV中心的感测探头。自旋状态由激光极化。NV中心的自旋状态由微波辐射操纵。使用光学显微镜检测来自NV中心的荧光。以这种方式，NV缺陷用作为具有高空间分辨率的用于磁场、电场和/或温度的探头。该文献没有提及NV中心与微波辐射耦合的方式。
A.L.Dmitriev等人的在Journal of the Optical Society of America B的第33卷第3期(2016年3月)的“Concept of a microscale vector magnetic field sensorbased on nitrogen-vacancy centers in diamond”公开了一种磁场传感器，该磁场传感器包括附着至光纤的端部以用于激励NV中心并且用于检测从NV中心发射的荧光的小金刚石晶体。微波天线卷绕在光纤周围以将微波场耦合至NV中心。该文献没有提及磁场传感器可以在空间中定位的方式。特别地，该文献未提出在表面上扫描磁场传感器。
发明内容
本发明的目的是提供包括具有自旋缺陷的探头的传感器装置，该传感器装置配置成用于对可能影响自旋缺陷的自旋状态的特性、特别是磁场或电场的特性以高空间分辨率进行成像，其中，传感器装置以如下的方式配置：使得微波场可以以简单、稳健和有效的方式耦合至自旋缺陷。
本发明提供了一种传感器装置，该传感器装置包括载体、连接至载体的力反馈传感器以及包含自旋缺陷的探头(其中存在单个自旋缺陷，或者可以存在多个自旋缺陷)。探头经由手柄结构件直接或间接地连接至力反馈传感器。为了以有效且稳健的方式将自旋缺陷耦合至微波场，传感器装置包括集成的微波天线，该微波天线布置在距自旋缺陷1至500微米的(最小)距离处。优选地，该距离小于200微米。
通过将探头连接至力反馈传感器，传感器装置配置成用于扫描探头显微镜，从而能够使自旋缺陷所敏感的特性成像。通过将微波天线集成到传感器装置中，该天线将始终处于相对于自旋缺陷的限定位置。避免了现有技术中必要的定位和校准外部天线的复杂过程。
传感器装置可以构造成独立的可更换盒，其可以连接至扫描探头显微镜的传感器安装部。以这种方式能够容易地更换传感器装置，而不需要在后续重新定位和重新校准天线。
有利地，探头由金刚石材料制成，并且自旋缺陷是NV中心。然而，可以设想具有自旋缺陷的、特别是具有可以通过辐射光来进行自旋极化的自旋缺陷的其他探头材料。特别地，探头材料可以是SiC或稀土掺杂的晶体。
探头可以包括限定远端自由端的梢端，在下文中也称为“顶部”。自由端限定探头梢端的感测表面。在操作中，感测表面将靠近样品表面。自旋缺陷被嵌入到探头梢端材料中的距感测表面100纳米内、更好地50nm内、优选地20nm内、更优选地10nm内的位置处。在一些实施方式中，梢端可以构造为立柱。特别地，梢端可以具有朝向梢端的远端自由端渐缩的截头圆锥的形状。在这种情况下，感测表面将是平坦的、基本圆形的表面。然而，感测表面不必是平的，但它也可以具有其他形状，例如，圆形或尖锐的形状。有利地，梢端的长度在1微米至5微米之间。有利地，感测表面的横向尺寸小于500nm、更优选地小于200nm。特别地，如果梢端的自由远端端部限定平坦的圆形感测表面，则感测表面优选地具有小于500nm的直径。
探头还可以包括由探头材料、例如金刚石材料制成的平板，梢端形成在该平板上。平板限定底部表面和顶部表面，并且梢端从平板的底部表面突出。这种具有突出的梢端的平板可以通过标准的光刻和电子光刻的方法容易地制造。对于金刚石，例如在上述文献WO2014/051886 A1的第[0116]至[0121]段中描述了制造方法，其中，该平板被称为平台，并且该梢端被称为纳米柱。所述文献的公开内容通过参引整体包括在本文中以用于教导制造探头的方法，该探头包括金刚石平板，梢端形成在该平板上。
如已经提到的，在一些实施方式中，探头经由手柄结构件连接至力反馈传感器。手柄结构件可以具有远端端部，该远端端部限定用于探头的平坦的安装表面。如果探头包括平板，则平板的顶部表面结合至手柄结构件的平坦的安装表面。
手柄结构件可以形成薄而平坦的臂部。手柄结构件优选地具有基本恒定厚度的平面的、平坦的片状形状。载体也可以具有大体平面的形状。在这种情况下，由手柄结构件限定的平面优选地垂直于由载体限定的平面。特别地，如果由载体限定的平面被指定为水平面，则手柄结构件优选地限定竖向平面。手柄结构件的位于远端端部处的安装表面垂直于由手柄结构件整体限定的平面，即，安装表面形成在片状手柄结构件的窄端面上。特别地，安装表面可以平行于由载体限定的平面。手柄结构件构造为桥接载体尺寸与探头尺寸之间的大尺寸间隙。手柄结构件可以从力反馈传感器朝向探头渐缩，即，其宽度从其近端端部到其远端端部可以是减小的。在手柄结构件的近端端部处，手柄结构件可以通过将手柄结构件的平坦主表面中的一个平坦主表面结合至力反馈传感器的横向侧面而附接至力反馈传感器。手柄结构件的长度优选为0.2毫米至5毫米。
手柄结构件优选地通过对晶片的光刻和/或电子光刻图案化来制造。因此，手柄结构件可以由能够通过光刻工艺图案化的任何材料、特别是可以作为晶片获得的任何材料制成，手柄结构件优选地呈载体基板上的薄层的形式。用于手柄结构件的合适材料包括但不限于硅、优选地单晶硅、GaAs、蓝宝石、玻璃和锗。例如，手柄结构件可以由绝缘硅片(SOI)晶片的装置层制成。通过采用光刻的方法，手柄结构件的平坦安装表面可以被高精度地制造并且具有确定的取向。这显著地简化了在限定的取向上将探头安装至手柄结构件，特别是与采用由拉制玻璃纤维制成的手柄结构件的现有技术的解决方案相比。
力反馈传感器(也可以被指定为距离传感器)可以是压电力反馈传感器。这种传感器本身是已知的。它们响应于传感器的一部分从平衡位置的小偏转而产生压电信号。力反馈传感器可以布置成以轻敲模式(允许朝向和远离样品表面的偏转)或以剪切模式(允许平行于样品表面的偏转)操作。特别地，力反馈传感器可以是音叉传感器。在其他实施方式中，力反馈传感器可以是悬臂。也可以采用其他类型的传感器代替压电传感器。例如，传感器例如悬臂的一部分的偏转在光学上能够通过检测从相应传感器部分反射的激光束的偏转来检测。原则上，可以采用适用于在扫描力显微镜中使用的任何类型的力反馈传感器。
在一些实施方式中，微波天线包括线材，线材附接至载体、力反馈传感器、手柄结构件或探头。如果微波天线包括线材，则线材与自旋缺陷之间的最小距离的典型值可以是例如50微米至150微米。
载体可以形成沿远端方向突出的两个平行的远端臂部，在所述两个远端臂部之间限定槽。可以呈细线材形式的天线能够附接至远端臂部并且穿过臂部之间的槽。
在一些实施方式中，微波天线包括导体，该导体已经以光刻的方式图案化到以下结构件中的至少一者上：载体；力反馈传感器；手柄结构件；探头；和/或连接至载体、力反馈传感器、手柄结构件或探头的单独的介质基板。如果微波天线包括已经以光刻的方式图案化到单独的介质基板上的导体，则导体与自旋缺陷之间的距离可以比用于线材的距离更容易地控制，因此可以更容易地变小。例如，最小距离可以是10微米至100微米。如果微波天线包括已经以光刻的方式图案化到探头上的导体，则导体与自旋缺陷之间的距离可以进一步最小化并且可以具有例如1微米至50微米范围内的值。
微波天线可以与激励频率共振。在一些实施方式中，微波天线包括高ε材料和/或高μ材料。高ε材料是相对介电常数大于10的材料。高μ材料是相对磁导率大于5的材料。
传感器还可以包括用于将射频或微波频率范围内的、特别是0GHz至20GHz范围内的DC或AC电流馈送至微波天线的馈线结构件。馈线结构件可以形成微带波导、共面波导或用于有效的RF或微波传输的任何其他布置。微波天线可以经由欧姆耦合(即，经由直接电触点)、经由电容耦合或经由电感耦合来耦合至馈线结构件。
馈线结构件可以包括至少一个导体，所述至少一个导体已经以光刻的方式图案化到以下结构件中的至少一者上：载体；力反馈传感器；手柄结构件；和/或探头。
在有利实施方式中，载体构造为平坦的芯片。载体的一个端部可以构造成连接至扫描探头显微镜的传感器安装部。为此，传感器装置可以包括用于与力反馈传感器和用于微波天线的馈线中的至少一者建立电接触的多个接触焊盘。
本发明还提供了扫描探头显微镜，该扫描探头显微镜包括显微镜头和如上所述的传感器装置，该显微镜头包括用于将传感器装置安装至该显微镜头的传感器安装部。然后，传感器装置以可移除的方式保持在传感器安装部中，从而允许容易地更换传感器装置。显微镜头包括允许探头与样品的表面之间的相对运动(特别是在至少两个维度上的扫描运动)的定位装置(例如，XY或XYZ平台)。
扫描探头显微镜还可以包括以下中的至少一者：
距离控制器，该距离控制器用于控制探头与所述样品的表面之间的距离，该距离控制器的输入部接收来自力反馈传感器的信号，并且该距离控制器的输出部连接至定位装置；
微波发射器，该微波发射器用于向微波天线提供微波；
光学激励源，该光学激励源配置成产生激励光以用于光学地激励自旋缺陷；以及
光电探测器，该光电探测器配置成检测从自旋缺陷发射的荧光。
在一些实施方式中，微波发射器可以构造成以与微波天线的共振频率对应的频率来提供微波。
扫描探头显微镜可用于光学检测磁共振的方法，该方法如下：
操作光学激励源以将自旋缺陷暴露于激励光，以便使自旋缺陷自旋极化；
操作脉冲式的微波发射器以将自旋缺陷暴露于微波辐射，以便操纵自旋缺陷的自旋状态；
操作光学激励源以将自旋缺陷暴露于激励光，以便光学地激励自旋缺陷(46)；以及
操作光电探测器以检测来自自旋缺陷的荧光。
虽然上述方法代表光学检测磁共振的特别简单的方法，但是可以采用更复杂的方法，包括采用复杂的微波脉冲序列以用于操纵自旋缺陷的自旋状态的方法。
附图说明
下面参照附图描述了本发明的优选实施方式，附图是为了说明本发明的优选实施方式，而非是为了限制本发明。在附图中，
图1中的(a)是示出了根据第一实施方式的传感器装置的俯视图；
图1中的(b)是示出了根据第一实施方式的传感器装置的侧视图；
图2是示出了根据第一实施方式的传感器装置中的扫描探头和天线的相对布置的示意图；
图3是示出了传感器装置的手柄结构件和扫描探头的放大示意图；插图A：梢端部分的放大图；
图4是示出了第一实施方式的传感器装置的没有附接扫描探头的远端端部的扫描电子显微照片；
图5是示出了手柄结构件、扫描探头和天线的放大图；
图6是示出了手柄结构件和扫描探头的扫描电子显微照片；
图7是示出了采用第一实施方式的传感器装置的扫描探头显微镜的高度示意图；
图8是示出了传感器装置的物理原理的简图(改编自R.Schirhagl,K.Chang,M.Loretz,and C.L.Degen,Nitrogen-vacancy centers in diamond:Nanoscale sensorsfor physics and biology,Annu.Rev.Phys.Chem.65,83(2014))；
图9是示出了氮空位中心的能级图；
图10示出了氮空位中心在不同磁场下的光学检测磁共振谱；
图11中的(a)是示出了根据第一实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图11中的(b)是示出了根据第一实施方式的传感器装置的侧视功能简图；
图12中的(a)是示出了根据第二实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图12中的(b)是示出了根据第二实施方式的传感器装置的侧视功能简图；
图13中的(a)是示出了根据第三实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图13中的(b)是示出了根据第三实施方式的传感器装置的侧视功能简图；
图14中的(a)是示出了根据第四实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图14中的(b)是示出了根据第四实施方式的传感器装置的侧视功能简图；
图15中的(a)是示出了根据第五实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图15中的(b)是示出了根据第五实施方式的传感器装置的侧视功能简图；
图16中的(a)是示出了根据第六实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图16中的(b)是示出了根据第六实施方式的传感器装置的侧视功能简图；以及
图17中的(a)是示出了根据第七实施方式的传感器装置的俯视功能简图；图17中的(b)是示出了根据第七实施方式的传感器装置的侧视功能简图。
具体实施方式
图1至图6中示出了根据本发明的传感器装置的第一实施方式。传感器装置构造成可更换的盒，其形成用于在扫描探头显微镜中使用的独立单元。
如从图1可见，传感器装置包括呈由诸如氧化铝的介电材料制成的平坦芯片的形式的载体10。载体10具有近端端部11，近端端部11构造成用于连接至扫描探头显微镜的相应设计的传感器安装部。为此，载体10形成沿近端方向突出的两个平行的近端臂部13，在所述两个平行的近端臂部13之间限定有宽度为G的槽。载体10还具有远端端部12。在载体10的远端端部12的区域中，载体10形成沿远端方向突出的两个平行的远端臂部14，在所述两个平行的远端臂部14之间限定有宽度为g的槽。载体10的外轮廓在其长度的大约一半处朝向远端端部渐缩。因此，载体10在其远端端部12处的宽度w小于其在近端端部11处的宽度W。如由图2可见，载体具有恒定的厚度D。载体限定水平面。
传感器装置还包括呈压电音叉传感器形式的力反馈传感器20。在本实施方式中，音叉传感器布置成以轻敲模式操作，即，由音叉的两个音叉臂(prongs)限定的竖向平面垂直于由载体10限定的水平面。音叉传感器电连接至导电读出线15，导电读出线15已经通过已知的图案化技术被图案化到载体10的表面上。
由硅制成的薄手柄结构件30附接至音叉传感器的两个音叉臂中的一个音叉臂的自由端。手柄结构件在图2和图3中被更详细地示出。手柄结构件30具有在竖向平面中延伸的薄而平坦的臂部的形状，该竖向平面大体上垂直于载体的水平面，并且在本实施方式中，该竖向平面平行于由音叉传感器的两个音叉臂所限定的竖向平面。在本实施方式中，手柄结构件30的近端端部结合至音叉传感器的下音叉臂的侧面。在手柄结构件30的远端端部处，形成水平安装表面31。通过在光刻过程中由晶片材料比如硅制造手柄结构件30，可以提供具有最小粗糙度的明确定义的平坦安装表面31。
由金刚石制成的探头40附接至手柄结构件30的远端自由端。探头在图3中被更详细地说明。探头包括由金刚石材料制成的、具有平坦的底部表面42和平坦的顶部表面43的平板41。顶部表面43结合至手柄结构件的安装表面31。由于安装表面31和顶部表面43的优异的平面性，探头40将始终以易于重复进行的、明确定义的取向附接至手柄结构件30。具有截头圆锥形柱形状的金刚石材料的小的梢端44从底部表面42突出。梢端44在其自由端限定了感测表面45，感测表面45在本示例中是平坦的并且具有圆形形状。梢端44包括呈NV中心形式的自旋缺陷46，自旋缺陷46在梢端材料中位于距离感测表面100nm或更小、例如距离感测表面大约10nm的位置处。
呈细线材形式的天线50——对应于本申请中的“微波天线”——附接至载体10的远端臂部14并且横穿臂部之间的远端槽。在天线由线材形成的本示例中，天线在小于500微米的范围内、例如在50至150微米的范围内经过梢端44的感测表面45(并且因此经过自旋缺陷46)。天线电连接至载体10的顶部上的馈线16以用于将微波辐射馈送至天线。已经通过已知的图案化技术、例如光刻技术或其他图案转移技术将馈线16图案化到载体上。每条馈线16在其近端端部处限定了用于连接至微波发射器的接触焊盘17。同样地，每个读出线15在其近端端部处限定接触焊盘。在本实施方式中，天线50经由欧姆连接联接至馈线15、即天线直接电接触馈线以将电流馈送至天线。
形成天线的线材的直径可以在很宽的范围内变化。例如，线材可以具有小于1微米以及大于100微米的直径。天线不一定必须是线材。更常见地，天线可以例如包括由导电材料如Al、Au或Cu制成的、具有宽范围的尺寸例如具有50nm至300微米的宽度的线材、条带或图案。
根据第一实施方式的传感器装置被进行如下制造。
a)将载体芯片切割成一定尺寸。尺寸为14x 5.1x 0.4mm3，并且材料为氧化铝。
b)将用于压电力反馈传感器的电读出线和用于微波传输的馈线被图案化到芯片表面上。
c)将微波天线结合至馈线。在本示例中，天线是直径为25微米的线材。将天线以使天线在距自旋缺陷约130微米的范围内经过的方式附接。
d)将压电力反馈传感器附着至芯片上。在本示例中，力反馈传感器是石英音叉。
e)将手柄结构件附着至力反馈传感器上。该手柄由硅光刻制成。该手柄具有亚毫米尺寸。手柄的形状和尺寸定制成精确地调节探头的倾斜度以确保对探头的不被阻挡的光学通路并且以与电磁天线接合。
f)将具有金刚石梢端的呈金刚石平板形式的探头附着至手柄上。金刚石梢端在梢端的自由端附近包括一个或若干个NV中心。
可选地，其他导电元件可以在手柄或金刚石平板上、或在两者上图案化。这些元件可以用于增强NV中心的轨迹处的电磁场。
实际的传感器装置的电子显微照片如图4至图6所示。这些图像示出了载体的尺寸与力反馈传感器的尺寸(毫米范围内)与梢端的尺寸(微米范围内)之间的大的尺寸差异。手柄结构件有助于桥接这种大尺寸间隙。
在示例性实施方式中，载体的尺寸如下：载体的整体长度，L＝14mm；载体在近端端部处的宽度，W＝5.1mm；近端槽的宽度，G＝1.5mm；载体在远端端部处的宽度，w＝3mm；远端槽的宽度，g＝1.5mm；具有恒定宽度的近端部分的长度，P＝7mm；载体的厚度，D＝0.4mm。探头的尺寸如下：平板的长度，5微米至20微米；平板的厚度，2.5微米；梢端的长度(在平板的底部表面与梢端的自由端之间测量)，2微米；梢端的在梢端的基部处的直径，0.9微米；梢端自由端处的感测表面的直径，0.2微米。
虽然在上述实施方式中，载体具有平坦芯片的形状，但是应该理解，载体的形状、布局和尺寸可以在宽的范围内变化。载体的长度优选地小于100mm、更优选地小于50mm。载体的最大宽度优选地小于20mm、更优选地小于10mm。载体的厚度优选地小于2mm、更优选地小于1mm。
探头的形状和尺寸也可以改变。特别地，梢端不需要形成在平板上并且不需要具有截头圆锥的形状。例如，在其他实施方式中，梢端可以具有圆形的自由端或者可以是尖锐的。
图7以高度示意性的方式示出了包括传感器装置的完整扫描探头显微镜(SPM)机构。该机构包括显微镜头110、微波发射器120、光学机构130、SPM控制器140——对应于本申请中的“距离控制器”——和ODMR控制器150。
显微镜头110包括基部111和构造成接纳载体10的近端端部11的传感器安装部112。传感器安装部112包括触点113以用于建立与载体10上的接触焊盘17的电连接。显微镜头还包括呈扫描台形式的第一定位装置114以及第二定位装置116，样品115保持在第一定位装置114上，永磁体117保持在第二定位装置116上。另外，显微镜头110包括物镜118，物镜118通过(光学上透明的)平板41并且通过探头梢端本身聚焦到探头梢端44的自由端45上。在其他实施方式中，显微镜头可以配置成从下方对探头梢端成像。在这种情况下，平板不必是透明的。
微波发射器120包括用于产生通常在0至20GHz范围内的AC电压的连续(cw)微波源121以及用于产生微波脉冲123的脉冲整形器121。
光学机构130包括激光器131、声光调制器(AOM)132、半透明镜133和光电探测器134。
SPM控制器140与力反馈传感器20和第一定位装置114接合，从而以本身已知的方式控制探头梢端44与样品115的表面之间的距离，并且从而在样品的表面上扫描探头梢端44。SPM控制器还与第二定位装置116接合以调节永磁体117的位置，从而改变样品所暴露处的外部静磁场。
ODMR控制器150与微波发射器120接合并且与光学机构130接合以激励并且使自旋缺陷光学极化，以便对自旋缺陷的自旋状态进行操纵，并且记录由自旋缺陷发射的荧光。
使用以下步骤操作扫描传感器：
a)将传感器芯片安装在扫描探头显微镜中。
b)将压电力反馈传感器的读出线连接至SPM控制器140。
c)将微波传输线连接至微波发射器120。
d)当在感兴趣的样品表面上扫描探头时，测量金刚石探头的荧光。施加连续(cw)或脉冲微波场以操纵自旋缺陷，从而执行期望的测量。另外，可以施加DC或低频电场或磁场。
图8示出了传感器装置的操作原理。自旋缺陷46的自旋状态受到磁场的影响，磁场又受到样品115表面处或附近的磁结构116的影响。
图9是NV中心的能级图。NV中心是金刚石晶格中的点缺陷。NV中心包括取代了碳原子的最近邻的氮原子对、以及晶格空位。可以通过使用氮离子进行的离子注入来产生NV中心。NV中心也可以通过使用比如电子、质子、中子、离子或伽马辐射之类的高能辐射来照射而从单个取代氮中心(P1中心)产生。P1中心可以是天然的，或者可以在金刚石表面处特意培植的掺杂层内。在这两种方法中，NV中心由P1缺陷和空位通过退火过程形成。处于负电荷状态的NV中心包括一起形成S＝1对自旋的未配对的氮电子和额外的电子。在本公开中，对NV中心的所有参照应理解为意为处于负电荷状态的NV中心(有时在文献中也称为[NV-]中心)。NV中心的一个重要特性是通过使用绿色激光将NV中心光学泵浦可以产生接近100％的电子自旋极化，从而使NV中心被驱动到基态的ms＝0的子状态。
基态是自旋态(S＝1)三重态。在没有磁场的情况下，三重态被分成ms＝0和两个简并(degenerate)ms＝±1的子级。ms＝0和ms＝±1由Δ＝2.87GHz的零场分离来分开。通过照射绿色激光来使激发态粒子数增加(populated)。系统通过荧光返回基态。电子过渡是旋转保持的。另外，激励的ms＝±1的子状态经由暗中间状态返回至基态的ms＝0的子状态。以这种方式，ms＝0的子状态变为优先粒子增加的。进一步的结果是ms＝0的过渡的荧光比ms＝±1的过渡的荧光更亮。共振频率下的微波激励操纵自旋状态，从而引起荧光下降。静磁场导致塞曼分裂介于ms＝±1的子状态之间。因此提升了ms＝±1的状态的简并性，并且电子自旋共振谱包含两条谐振线，一条偏移至较高频率，另一条偏移至较低频率(见图10)。通过测量谐振之间的频率差2γB可以计算外场的大小。NV中心具有优选的轴，其由零场分裂张量的主轴给出并且对应于(111)晶轴。B是矢量磁场的与NV主轴平行的分量。
研究还表明，NV中心可以用来测量温度(V.M Acosta,E.Bauch,M.P.Ledbetter,A.Waxman,L.S.Bouchard and D.Budker,Temperature dependence of the nitrogen-vacancy magnetic resonance in diamond,Phys.Rev.Lett.104,070801(2010))和电场(Nature Physics Volume 7,Pages 459-463(2011))。
更详细地，测量如下进行：
a)将自旋缺陷46(氮空位中心)暴露于绿色激光。这使自旋缺陷在1微秒内极化。
b)将自旋缺陷46暴露于限定频率ω的cw或脉冲微波123。如果这种频率与自旋缺陷的共振频率ω0匹配，则操纵自旋缺陷的自旋状态。
c)使用第二激光脉冲和荧光检测来测量所得的自旋状态。通过探头的金刚石材料读出来自自旋缺陷的荧光。因此，金刚石材料用作将荧光朝向外耦合结构件的输出端引导的用于荧光的光学外耦合结构件。在这种情况下，探头的顶部表面形成输出端。记录的信号是荧光强度，荧光强度取决于自旋状态。
d)共振频率ω0是非常明确的。当ω0＝2870MHz±(B/1mT)*28.0MHz时，其随场移位。通过测量ω0来测量局部磁场。局部磁场可以例如受到样品表面上的磁矩的影响。自旋状态还可以受到其他参数、比如引起斯塔克位移的电场或引起轴向零场分裂的变化的温度的影响。
e)2D或3D扫描用来测量作为位置的函数的磁场或其他参数。
f)由可以<20nm的传感器到表面的距离大致给出空间分辨率。
g)通过使用复杂的微波脉冲序列，可以探测磁样本表面的不同细节(如频谱)。
总之，上述公开内容可以表征为涉及使用量子计量学来提高灵敏度和空间分辨率的新型扫描探头。该系统包括金刚石梢端、距离传感器和微波天线，金刚石梢端在其自由端具有一个或若干自旋缺陷(例如氮空位中心或NV中心)。这些元件集成在单个载体上，该载体优选地具有芯片的形式。此外，载体包括合适的电连接以有效且方便地操作距离传感器和微波天线。为了进行测量，在使用光学和微波脉冲分析自旋缺陷的自旋共振时，梢端的感测表面定位在距离所研究的样品表面500nm内、更好地在200nm内、更优选地在100nm内。有利地，感测表面与样品表面之间的距离尽可能地小，理想地小于10nm。实际上，已经实现了25nm与100nm之间的距离。以这种方式，可以检测表面的磁性、电学、热学或其他性质，并且以<100nm、可能<10nm的空间分辨率成像。另外，可以分析信号的频率特性。测量可以在0K至400K的任何温度下进行，特别是在室温下进行。由于传感器包括单个的、原子状的磁性杂质，因此样品上的磁反作用可以忽略不计(与诸如磁力显微镜梢端的其他探头相反)。上述特征的组合极大地扩大了可以在纳米级上进行研究的样品和现象的范围。
图11是根据第一实施方式的传感器装置的功能简图，其中，传感器装置的不同部件的相对尺寸是故意不按比例绘制的。特别地，探头的尺寸相对于载体、力反馈传感器和手柄结构件的尺寸而言被夸大。提供该简图是为了能够更直接地比较第一实施方式的设计与将在下面讨论的其他实施方式的设计。为简单起见，简图中未示出读出线。
如图11所示，载体10的底侧可以设置有导电层18，导电层18形成用于微波馈线16和用于读出线的接地平面。如上所述，天线50是靠近NV中心经过的一条线材。天线与微波馈线之间的接触是欧姆的。馈线可以形成微带波导、共面波导或用于有效的微波传输的另一种布置。
图12至图17是根据第二至第七实施方式的传感器装置的功能简图。在所有这些简图中，多种组件之间的相对尺寸未按比例绘制。
图12是根据第二实施方式的传感器装置的功能简图。常规的机构很大程度上对应于第一实施方式的机构；然而，压电力反馈传感器20安装成用以在剪切模式下操作。为此，音叉的两个音叉臂布置在水平面中而不是如第一实施方式中那样在竖向平面中。
图13是根据第三实施方式的传感器装置的功能简图。在该实施方式中，微波馈线16和天线50形成在连接至载体10的单独的介质基板60上。介质基板60具有平行于由载体10限定的水平面延伸的平坦切片的形状。介质基板60具有允许从上方自由接近探头40的通孔71，以便能够从上方将光照射在探头40上。馈线16和天线50在介质基板上以光刻的方式图案化。如在前面的实施方式中那样，天线与微波馈线之间的接触是欧姆的。通过在介质基板上将天线图案化，可以以高度可重复的方式控制天线的阻抗特性以及天线与自旋缺陷的耦合。
图14是根据第四实施方式的传感器装置的功能简图。在该实施方式中，天线50是靠近探头梢端44经过的平面环。天线50附接至手柄结构件30。天线50可以由一条线材形成，或者可以在环形介质基板上以光刻的方式图案化。与前面的实施方式相比，天线50可以更接近自旋缺陷；天线与自旋缺陷之间的最小距离通常在10微米至100微米的范围内。微波场借助于发射天线(未示出)感应地耦合至天线50。天线可以是谐振电路的一部分，或者它可以自己形成谐振电路。发射天线可以与传感器装置本身集成，例如，可以布置在载体10上或布置在传感器装置的任何其他部件上。在其他实施方式中，发射天线可以与传感器装置本身分开设置，并且可以布置在使用传感器装置的扫描探头显微镜机构的任何其他结构件上。
图15是根据第五实施方式的传感器装置的功能简图。在该实施方式中，天线50是直接形成在探头40自身上的靠近探头梢端44的平面环。通过将天线直接布置在探头上，可以使天线与自旋缺陷之间的距离进一步最小化。例如，在本实施方式中，最小距离可以选择为1nm至50nm。为了实现有效耦合，天线可以由高ε材料或高μ材料制成或被高ε材料或高μ材料包围。如在先前的实施方式中那样，微波场借助于发射天线(未示出)感应耦合至天线50，该发射天线可以是传感器装置本身的一部分或者可以单独设置。
图16是根据第六实施方式的传感器装置的功能简图。如在先前实施方式中那样，天线50是直接形成在探头40自身上的靠近探头梢端44的平面环。然而，与前一实施方式相反，天线50跨过馈线16与天线50之间的气隙电容性地耦合至馈线16。在本实施方式中，馈线16设置在传感器装置本身上，特别地设置在载体10上。在其他实施方式中，用于与天线50电容性地耦合的馈线结构件可以布置成与传感器装置本身分离。
图17是根据第七实施方式的传感器装置的功能简图。如在前一实施方式中那样，天线是直接形成在探头40自身上的平面环。微波馈线经由手柄结构件30从载体10直接延伸至天线50。天线50经由欧姆连接直接电连接至微波馈线。
从上面的示例可以看出，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行许多进一步的改型。
附图标记列表
1 传感器装置
10 载体
11 近端端部
12 远端端部
13 近端臂部
14 远端臂部
15 读出线
16 馈线
17 接触焊盘
18 接地平面
20 力反馈传感器
30 手柄结构件
31 安装表面
40 探头
41 平板
42 底部表面
43 顶部表面
44 探头梢端
45 感测表面
46 自旋缺陷
50 天线
60 介质基板
61 通孔
110 显微镜头
111 基部
112 传感器安装部
113 触点
114 第一定位装置
115 样品
116 第二定位装置
117 永磁体
118 物镜
120 微波发射器
121 微波源
122 脉冲整形器
123 微波脉冲
130 光学机构
131 激光器
132 声光调制器
133 半透明镜
134 光电探测器
140 SPM控制器
150 ODMR控制器

Claims (16)

1.一种传感器装置，包括：
载体(10)；
力反馈传感器(20)，所述力反馈传感器(20)连接至所述载体(10)；以及
探头(40)，所述探头(40)包括自旋缺陷(46)，所述探头(40)经由手柄结构件(30)直接或间接地连接至所述力反馈传感器(20)；
其特征在于，所述传感器装置还包括集成的微波天线，所述微波天线布置在距所述自旋缺陷(46)小于500微米的最小距离处。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述探头(40)由金刚石材料制成，并且其中，所述自旋缺陷(46)是NV中心。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述探头包括梢端(44)，所述梢端(44)具有限定感测表面(45)的自由端，所述自旋缺陷(46)被嵌入到所述梢端(44)中的距所述感测表面(45)100纳米以内的位置处。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，包括连接至所述力反馈传感器(20)的手柄结构件(30)，
其中，所述探头包括限定底部表面(42)和顶部表面(43)的平板(41)，所述梢端(44)从所述平板(41)的所述底部表面(42)突出，
其中，所述手柄结构件(30)具有远端端部，所述远端端部限定用于所述探头(40)的平坦的安装表面(31)；并且
其中，所述平板(41)的所述顶部表面(43)结合至所述手柄结构件(30)的所述平坦的安装表面(31)。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述安装表面能够通过对晶片材料的光刻图案化来制造。
6.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述力反馈传感器(20)为压电力反馈传感器。
7.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述力反馈传感器(20)为布置成以轻敲模式或剪切模式操作的压电音叉传感器。
8.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述微波天线包括线材，所述线材附接至所述载体(10)、所述力反馈传感器(20)、所述手柄结构件(30)或所述探头(40)。
9.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述微波天线包括导体，所述导体已经以光刻的方式图案化到以下结构件中的至少一者上：
所述载体(10)；
所述力反馈传感器(20)；
所述手柄结构件(30)；
所述探头(40)；
单独的介质基板(60)，所述介质基板(60)连接至所述载体(10)、所述力反馈传感器(20)、所述手柄结构件(30)或所述探头(40)。
10.根据权利要求1或2所述的传感器装置，包括用于将AC电流馈送至所述微波天线的馈线结构件(16、18)，所述微波天线经由欧姆耦合、经由电容耦合或经由电感耦合而耦合至所述馈线结构件(16、18)。
11.根据权利要求10所述的传感器装置，其中，所述馈线结构件(16、18)包括至少一个导体，所述至少一个导体已经以光刻的方式图案化到以下结构件中的至少一者上：
所述载体(10)；
所述力反馈传感器(20)；
所述手柄结构件(30)；
所述探头(40)。
12.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述传感器装置构造为独立的可更换盒。
13.根据权利要求12所述的传感器装置，其中，所述载体(10)构造为平坦的芯片，所述载体(10)的一个端部构造成用于连接至扫描探头显微镜的传感器安装部(112)。
14.一种扫描探头显微镜，包括：
根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置；
显微镜头(110)，所述显微镜头(110)包括用于将所述传感器装置安装至所述显微镜头(110)的传感器安装部(112)，所述显微镜头(110)包括允许在所述探头(40)与样品(115)的表面之间的相对运动的定位装置(114)，所述传感器装置以可拆卸的方式保持在所述传感器安装部中。
15.根据权利要求14所述的扫描探头显微镜，还包括：
距离控制器，所述距离控制器用于控制所述探头(40)与所述样品(115)的表面之间的距离，所述距离控制器的输入部接收来自所述力反馈传感器(20)的信号，并且所述距离控制器的输出部连接至所述定位装置(114)；
微波发射器(120)，所述微波发射器(120)用于向所述微波天线提供微波；
光学激励源(131、132)，所述光学激励源(131、132)配置成产生激励光以用于光学地激励所述自旋缺陷(46)；以及
光电探测器(134)，所述光电探测器(134)配置成检测从所述自旋缺陷(46)发射的荧光。
16.一种使用根据权利要求15所述的扫描探头显微镜来光学地检测磁共振的方法，所述方法包括：
操作所述光学激励源(131、132)以将所述自旋缺陷(46)暴露于激励光，以便使所述自旋缺陷(46)自旋极化；
操作脉冲式的所述微波发射器(120)以将所述自旋缺陷(46)暴露于微波辐射，以便操纵所述自旋缺陷(46)的自旋状态；
操作所述光学激励源(131、132)以将所述自旋缺陷(46)暴露于激励光，以便光学地激励所述自旋缺陷(46)；以及
操作所述光电探测器(134)以检测来自所述自旋缺陷(46)的荧光。
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