近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感技術國家重點實驗室采用微納加工技術，制備了一種基于氮空位(NV)色心的微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器。5月9日，相關研究成果以Amicrofabricatedfiber-integrated diamond magnetometer with ensemble nitrogen-vacancy centers為題，發表在Applied Physics Letters上。
鉆石可以作為珠寶裝飾品，更是頗具研究價值的新型量子材料。氮空位缺陷——NV色心，是鉆石晶體結構中常見的點缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應及熒光輻射特性可進行精密磁測量。NV色心在常溫下具有穩定的量子態，可以在非制冷的室溫下工作。同時，鉆石量子磁傳感器以其高空間分辨率、高靈敏度、高生物兼容性等技術優勢，在近場微觀磁共振、磁異常探測、生命科學等領域具有重要的應用前景。
小型化、集成化、便攜化是鉆石量子傳感器取得實際應用的重要條件。該團隊基于晶圓級微機電工藝平臺，利用標準微納加工技術，制備出鉆石量子磁傳感器的核心——鉆石芯片。芯片內部集成了微波輻射結構，實現了原位微波量子態操控。研究采用金屬熱壓鍵合技術，實現了鉆石單晶與硅晶圓的異質集成，確保了機械穩定性。鉆石芯片耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊，實現了“光進光出”的工作模式，縮小了探頭尺寸，實現了鉆石磁強計探頭的高集成度。研究進一步表明，采用雙頻共振技術可以同時進行磁場和溫度場的同步實時測量，不僅通過溫漂抑制提高了磁場測量的信噪比，而且確保了傳感器的溫度穩定性。
該團隊提出的制備工藝可以在晶圓級進行拓展，具有批量化制備的潛力，為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴傳感器陣列提供了可能性。目前，鉆石量子磁傳感器整體尺寸僅有20×15×1.5 mm3，靈敏度達到2.03nT/√Hz。同時，該鉆石磁傳感器可以對小于0.5 mm(甚至更小)的目標區域進行近距離測量，具有在心磁、腦磁等弱磁信號探測場景的應用潛力，這為后續實用化的可穿戴生物磁傳感器奠定了良好的研究基礎。
研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、中科院科研儀器裝備研制項目等的支持。
上海微系統所制備出微型光電一體化集成鉆石量子磁傳感器
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