本發(fā)明屬于傳感，涉及一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)、制作方法與量子傳感器。

背景技術(shù)：

1、鉆石晶體中氮空位(nv)色心具有量子力學(xué)自旋結(jié)構(gòu)且相干時間較長的特性，使其成為一個優(yōu)秀的量子傳感平臺?；阢@石的量子傳感器具有高空間分辨率、高靈敏度以及熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，并且引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，鉆石量子傳感器的靈敏度與激發(fā)nv色心的數(shù)量n有關(guān)，成的比例關(guān)系，因此提高激發(fā)效率以激發(fā)更多數(shù)量的nv色心是提高量子傳感器靈敏度的一種有效途徑。

2、國際上也有不少關(guān)于提高鉆石nv色心熒光激發(fā)強度的研究，例如，基于布里-珀羅(f-p)諧振腔增強泵浦光對鉆石的激發(fā)光學(xué)深度，在腔長為厘米級的諧振腔內(nèi)其光學(xué)路徑可達到米的量級，但是f-p諧振腔由于其需要高精度的光路對準從而帶來了復(fù)雜的光路設(shè)置；還有對鉆石邊緣切割將激光從側(cè)邊耦合激發(fā)的方法，通過調(diào)控側(cè)邊激發(fā)光的入射角度為鉆石全內(nèi)反射角，實現(xiàn)延長在鉆石內(nèi)傳播光程提高激發(fā)效率的目的，但是需要高精度對準耦合導(dǎo)致其重復(fù)性差，并且與微加工技術(shù)不兼容，從當前傳感器在工業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展趨勢來看，集成化、小型化、高一致性是必要趨勢，側(cè)邊耦合激發(fā)對傳感器件的小型化、集成化具有挑戰(zhàn)性。

3、因此，如何提供一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)、制作方法與量子傳感器，以提高鉆石熒光激發(fā)效率、且與微加工技術(shù)兼容，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)、制作方法與量子傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中鉆石熒光激發(fā)效率低、與微加工技術(shù)不兼容的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，包括：

3、鉆石基底，所述鉆石基底具有nv色心，所述鉆石基底呈長方體結(jié)構(gòu)或類長方體結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的側(cè)壁垂直度為89°～91°；

4、超表面層，位于所述鉆石基底的上表面，所述超表面層包括周期排布的納米柱陣列，當垂直的入射光照射入所述超表面層時能夠發(fā)生從低折射率介質(zhì)到高折射率介質(zhì)的衍射偏轉(zhuǎn)，所述衍射偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度大小包含于所述鉆石基底的全內(nèi)反射角范圍內(nèi)。

5、可選地，所述鉆石基底的表面粗糙度小于2nm。

6、可選地，所述納米柱陣列包括第一尺寸納米柱和第二尺寸納米柱，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，所述第一尺寸納米柱和所述第二尺寸納米柱周期交替排布。

7、可選地，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，相鄰的所述第一尺寸納米柱之間的距離范圍為200-550nm。

8、可選地，所述第一尺寸納米柱的橫截面積大于所述第二尺寸納米柱的橫截面積，形成不對稱散射結(jié)構(gòu)單元體。

9、可選地，所述鉆石基底的上表面呈長方形結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的上表面包括相接的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第一側(cè)邊具有夾角，且所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第二側(cè)邊具有夾角。

10、可選地，所述超表面層的材質(zhì)包括二氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、單晶硅或多晶硅。

11、本發(fā)明還提供一種量子傳感器，所述量子傳感器包括上述任一項所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)。

12、本發(fā)明還提供一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟：

13、提供一鉆石基底，所述鉆石基底具有nv色心，所述鉆石基底呈長方體結(jié)構(gòu)或類長方體結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的側(cè)壁垂直度為89°～91°；

14、于所述鉆石基底的上表面形成超表面材料層；

15、于所述超表面材料層的上表面形成抗蝕劑層，并圖形化所述抗蝕劑層以定義出超表面層的形貌；

16、刻蝕所述超表面材料層以形成所述超表面層，所述超表面層包括周期排布的納米柱陣列，當垂直的入射光照射入所述超表面層時能夠發(fā)生從低折射率介質(zhì)到高折射率介質(zhì)的衍射偏轉(zhuǎn)，所述衍射偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度大小包含于所述鉆石基底的全內(nèi)反射角范圍內(nèi)。

17、可選地，所述納米柱陣列包括第一尺寸納米柱和第二尺寸納米柱，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，所述第一尺寸納米柱和所述第二尺寸納米柱周期交替排布。

18、可選地，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，相鄰的所述第一尺寸納米柱之間的距離范圍為200-550nm。

19、可選地，所述第一尺寸納米柱的橫截面積大于所述第二尺寸納米柱的橫截面積，形成不對稱散射結(jié)構(gòu)單元體。

20、可選地，所述鉆石基底的上表面呈長方形結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的上表面包括相接的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第一側(cè)邊具有夾角，且所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第二側(cè)邊具有夾角。

21、可選地，所述超表面材料層的材質(zhì)包括二氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、單晶硅或多晶硅。

22、如上所述，本發(fā)明的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)、制作方法與量子傳感器中，入射光經(jīng)超表面層衍射偏轉(zhuǎn)后，以全內(nèi)反射角度的范圍偏轉(zhuǎn)耦合至鉆石基底，從而在鉆石基底中發(fā)生全反射提高光路傳輸路徑，能夠與大量nv色心相互作用提高鉆石激發(fā)效率，提高鉆石nv磁探測靈敏度，可應(yīng)用于近場高靈敏度磁傳感、生物分子傳感、納米級熱傳感以及電流傳感等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述鉆石基底的表面粗糙度小于2nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述納米柱陣列包括第一尺寸納米柱和第二尺寸納米柱，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，所述第一尺寸納米柱和所述第二尺寸納米柱周期交替排布。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，相鄰的所述第一尺寸納米柱之間的距離范圍為200-550nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一尺寸納米柱的橫截面積大于所述第二尺寸納米柱的橫截面積，形成不對稱散射結(jié)構(gòu)單元體。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述鉆石基底的上表面呈長方形結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的上表面包括相接的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第一側(cè)邊具有夾角，且所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第二側(cè)邊具有夾角。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述超表面層的材質(zhì)包括二氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、單晶硅或多晶硅。

8.一種量子傳感器，其特征在于：所述量子傳感器包括權(quán)利要求1-7中任一項所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)。

9.一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于：所述納米柱陣列包括第一尺寸納米柱和第二尺寸納米柱，在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，所述第一尺寸納米柱和所述第二尺寸納米柱周期交替排布。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于：在沿所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向上，相鄰的所述第一尺寸納米柱之間的距離范圍為200-550nm。

12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于：所述第一尺寸納米柱的橫截面積大于所述第二尺寸納米柱的橫截面積，形成不對稱散射結(jié)構(gòu)單元體。

13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于：所述鉆石基底的上表面呈長方形結(jié)構(gòu)，所述鉆石基底的上表面包括相接的第一側(cè)邊和第二側(cè)邊，所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第一側(cè)邊具有夾角，且所述第一尺寸納米柱指向所述第二尺寸納米柱的方向與所述第二側(cè)邊具有夾角。

14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于：所述超表面材料層的材質(zhì)包括二氧化鈦、磷化鎵、磷化銦、單晶硅或多晶硅。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)、制作方法與量子傳感器，該增強鉆石激發(fā)效率的超表面結(jié)構(gòu)包括鉆石基底和超表面層，其中，鉆石基底具有NV色心，超表面層位于鉆石基底上表面，超表面層包括周期排布的納米柱陣列，垂直的入射光照射入超表面層時能夠發(fā)生衍射偏轉(zhuǎn)，衍射偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角度大小包含于鉆石基底的全內(nèi)反射角范圍內(nèi)。本發(fā)明中入射光經(jīng)超表面層衍射偏轉(zhuǎn)后，以全內(nèi)反射角偏轉(zhuǎn)耦合至鉆石基底，在鉆石基底中發(fā)生全內(nèi)反射以提高光路傳輸路徑，使得激發(fā)光能夠與大量NV色心相互作用提高鉆石熒光激發(fā)效率，提高鉆石NV色心磁探測靈敏度，可應(yīng)用于近場高靈敏度磁傳感、生物分子傳感、納米級熱傳感及電流傳感等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：武震宇,陳浩,王楠
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15