日本团队金刚石新研究成果登上国际顶刊

发布时间：2025-10-09 08:49:44 | 浏览量： 15次

光与材料技术的结合是新型传感技术发展的关键。对电场、磁场和温度进行高时空分辨的精确探测，对于纳米级量子器件的研发至关重要。金刚石中的“颜色中心”（尤其是氮-空位中心，NV centers）因其独特的量子态而成为潜在的理想传感单元。然而，传统基于光学检测磁共振（ODMR）的手段时间分辨率只能达到纳秒量级，难以满足超快过程探测的需求。




近日，日本筑波大学团队在《Nature Communications》上发表成果“An ultrafast diamond nonlinear photonic sensor”，利用金刚石中的“氮-空位中心”（NV centers），打造出了一种超快非线性光子传感器，实现了飞秒级时间分辨、纳米级空间分辨的电场探测。




研究人员将超快泵浦-探测技术与扫描探针显微镜（SPM）结合，开发了一种新型电光（EO）传感器：在金刚石纳米探针中引入浅层（<40 nm）NV中心，使其具备电光效应；通过10飞秒的近红外激光脉冲，实现对材料表面电场的采样；实验结果显示，时间分辨率可达100飞秒，空间分辨率优于500nm。




这种设计突破了传统电光传感器受衍射极限限制的瓶颈，能够实现纳米-飞秒级的联合探测。

大尺寸金刚石MPCVD生长设备

实际意义

这一成果在科研与应用层面具有多方面价值：1、半导体材料与器件：在功率器件（如SiC、GaN）中，表面电场的分布与动态变化直接关系到器件的击穿电压和长期可靠性。该方法为器件失效机理研究提供了新工具。




2、二维材料与光电器件：对单层与多层WSe₂的对比实验表明，该技术能够揭示层数、表面氧化等因素对载流子动力学的影响，为二维材料在光电子和逻辑器件中的应用提供参考。




3、量子传感发展：相比传统的ODMR方法，该技术大幅提升了时间分辨率，未来有望扩展到磁场、温度等多维度参数的综合探测，为量子计算与量子网络中的器件诊断提供手段。




4、纳米检测与材料科学：在纳米尺度下观察材料表面超快电场演化，有助于理解界面缺陷、散射机制等关键物理问题，为材料设计与优化提供支撑。




随着NV探针灵敏度的提升和商业化NV金刚石探针的应用，该类超快非线性光子传感器有望将空间分辨率进一步提升至10nm级别。结合当前半导体产业对高分辨测试技术的需求，该研究提出的方案具有较强的延展性和应用潜力。其在量子传感、先进材料研究及高端检测装备领域，都可能发挥越来越重要的作用。



图1 | 电光纳米显微技术的概念示意图



图2 | 金刚石NV探针的制备过程



图3 | 采用金刚石NV探针在n型砷化镓基底上检测电场



图4 | WSe2上EO信号的时空测量

大尺寸金刚石MPCVD生长设备

碳方程的50200A MPCVD设备在生长多晶产品方面优势显著，设备采用915MHZ的微波频率，单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石。设备运行功率方面，采用50KW大功率装置，更大尺寸的多晶产品意味着更高的生产效率和更低的单位成本，能够满足客户大规模生产的需求。同时，我们的设备在技术方面也有着诸多创新和突破，确保了产品的高质量和稳定性。有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。



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