利用优化的金刚石探针实现卓越的纳米级传感和成像。

从生物学领域的微生物发现到物理学领域的原子成像，显微成像提高了我们对世界的认识，并对许多科学进步作出了贡献。现在，随着自旋电子学和微型磁性器件的出现，越来越需要纳米尺度的成像来探测物质的量子性质，如电子自旋、铁磁体中的磁畴结构和超导体中的磁涡。

使用扫描NV探头对磁带中的磁畴结构进行成像。通过FIB铣削加工制作的金刚石NV中心探头的扫描显示了磁带磁畴结构的成像。来源：Toshu An from JAIST.

通常，这是通过补充标准显微镜技术（如扫描隧道显微镜和原子力显微镜（AFM））和磁性传感器来实现的，以创建“扫描磁测探针”，从而实现纳米级成像和传感。然而，这些探针通常需要超高真空条件、极低温度，并且空间分辨率受到探针尺寸的限制。

在这方面，金刚石中的氮空位（NV）中心（金刚石结构中的缺陷，由与缺失原子产生的“空位”相邻的氮原子形成）受到了极大的关注。事实证明，NV对可以与AFM结合以完成局部磁成像，并且可以在室温和压力下工作。然而，这些探针的制造涉及复杂的技术，不允许对探针形状和尺寸进行太多控制。

（a）扫描金刚石NV探针的制造程序说明：（i）将14N+离子注入金刚石基底，（ii）将大块金刚石激光切割成棒状，（iii）将金刚石棒粘合到石英音叉AFM探针的顶端，和（iv）具有内径（Ri）和外径（Ro）的圆环形纤维铣削工艺，以制造微柱。扫描金刚石NV探头的侧视图（c）和俯视图（d）的光学（b）和SEM图像。

在日本高级科学技术研究所（JAIST）副教授Toshu An和JAIST博士生Yuta Kainuma领导的一项新研究中，日本与京都大学和国家高级工业科学技术研究所的研究人员合作解决了这一问题，使用激光切割和聚焦离子束（FIB）加工相结合的新技术制造NV承载金刚石探针，该技术可实现高度的加工自由度和对探针形状的控制。这篇论文于2021年12月28日发表在《Applied Physics》上。

首先，研究小组通过向块状金刚石中注入氮离子，在其中创建了N-V中心。接下来，他们抛光对面，用激光切割制作出多个棒状工件。他们将其中一根金刚石棒连接到AFM探针的尖端，并使用FIB处理将金刚石棒的前表面变成最终的探针形状。“FIB使用镓离子来塑造探针。然而，这些离子会在金刚石结构中产生空位，从而改变NV缺陷的电荷状态。为了避免这种情况，我们在探针中心周围使用了一种甜甜圈形状的铣削模式，以防对NV中心造成任何损坏，”An博士解释道。最后的探针是一个微柱，由103个NV中心组成，直径为1.3µm，长度为6µm。

（a）结合共焦扫描激光显微镜和扫描NV探针石英AFM的实验配置。（b）磁带样品的三维地形AFM图像。通过金丝（φ）将微波引入扫描金刚石NV探针 = 25 μm）在面内外磁场Hext下覆盖在样品上 = 5.2 mT.（c）金刚石探针中NV中心（NV1–NV4）量子轴的侧视图和俯视图。

利用该探针，研究小组对磁带中的周期性磁畴结构进行了成像。An博士解释说：“我们通过映射固定微波频率下的光致发光强度和光学检测到的磁共振光谱中的共振频率，从磁畴结构中成像了杂散磁场。”。

该团队乐观地认为，新的制造方法将扩大量子成像探针的适用性。他们认为，近年来，人们一直在寻求开发新设备，以解决环境和能源问题，实现人类社会的可持续繁荣。量子测量和传感技术有望在未来彻底改革支持社会基础设施的系统。因此，他们的制备技术“将有助于推动实现纳米级量子成像的努力”。

扫描钻石探针的光学（a）和PL（b）俯视图图像。探针位置由白色虚线圆圈标记，其中显示最大PL强度，如线形图所示。（c） NV金刚石探头的PL强度（实线），作为激光聚焦z位置的函数。显示了用Savitzky–Golay（实心圆）过滤的PL数据的一阶导数和用四阶多项式拟合的曲线（红色实线）。已设置安装的最大位置（蓝色实线）以跟踪NV探头z位置。（d）在不同焦点位置观察到的光学俯视图像。（e）金刚石探针的NVs（NV1–NV4）量子轴的相对坐标，倾斜于从（d）推断出的磁性样品。

来源：Scanning diamond NV center magnetometer probe fabricated by lasercutting and focused ion beam milling, Journal of Applied Physics (2021). DOI:10.1063/5.0072973