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快速响应的nv色心微波传感器实现及测量

传感器与微系统 2024年第5期43卷 158-160页

作者：张家璇刘鑫张立婷李中豪温焕飞中北大学量子与精密传感重点实验室仪器与电子学院山西太原030000

高精度微波快速测量技术是电磁频谱分析监测的核心,微波测量技术为微波传感器的高精度测量提供了可能。通过建立nv色心空间磁场能级响应频率精密调谐模型,结合nv色心光学宽场成像技术,实现了高精度、响应快可调的微波测量。首先,通过连... 详细信息

高精度微波快速测量技术是电磁频谱分析监测的核心,微波测量技术为微波传感器的高精度测量提供了可能。通过建立nv色心空间磁场能级响应频率精密调谐模型,结合nv色心光学宽场成像技术,实现了高精度、响应快可调的微波测量。首先,通过连续光探测磁共振(ODMR)技术,结合宽场成像技术,通过像素级磁场强度-微波频率转化关系,实现宽场成像的微波测量;进而将连续扫频技术转变为施加定频进行检测,通过同步监测频点不同的响应特性,验证了测试结果的有效性。以上结果为高精度固态量子频谱分析仪、高瞬时带宽频谱微波传感器提供了重要技术基础。

关键词：微波检测磁场调谐 nv色心光探测磁共振技术

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多过程处理IIa型粉色钻石的鉴定特征

现代地质 2024年

作者：汪洋宋中华潘迪陶震东陆真平程愉涵国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司广州实验室国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司

天然钻石可经过高温高压处理产生孤氮、辐照产生空位、退火使孤氮和空位聚合产生nv色心的多过程处理变成粉色。处理原材料一般为Ia型，由N3和高浓度nv色心共同致色，处理后的钻石一般为深紫红-深红色。随着技术的发展，近几年市场上出... 详细信息

天然钻石可经过高温高压处理产生孤氮、辐照产生空位、退火使孤氮和空位聚合产生nv色心的多过程处理变成粉色。处理原材料一般为Ia型，由N3和高浓度nv色心共同致色，处理后的钻石一般为深紫红-深红色。随着技术的发展，近几年市场上出现了原材料为IIa型的多过程处理粉色钻石。由于氮含量极低，处理后钻石的粉色调更浓，与nv致色的天然钻石及引入nv致色的合成钻石都较为相似。为全面了解此类IIa型处理粉色钻石的鉴定特征，本文选取两件样品进行了详细的宝石学特征测试及各种光谱测试。宝石显微镜观察可见石墨化现象。紫外-可见-近红外吸收光谱显示处理钻石样品由GR1吸收、nv吸收和发光共同致色。由于GR1和nv缺陷浓度的差异，两粒处理钻石样品的色调略有不同，一粒呈橙粉色，另一粒呈紫粉色。近红外吸收光谱可见辐照相关9287 cm-1吸收带。PL光谱可见辐照相关缺陷3H、GR1发光和595 nm吸收等。DiamondView下典型的“马赛克”状结构是区分此类多过程处理IIa型粉色钻石与粉色合成钻石最直接的特征。

关键词：粉色钻石 nv色心 IIa型钻石多过程处理辐照退火处理

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金刚石nv色心电流互感器的应用

微纳电子技术 2022年第11期59卷 1199-1204页

作者：赵龙仇茹嘉孙峰王鑫王丽君陈嘉国网安徽省电力有限公司电力科学研究院合肥230601 国仪量子(合肥)技术有限公司合肥230088

将氮-空穴(nv)色心磁传感器应用到电流测量中,利用nv色心的高精度磁测量特性来实现高精度的电流测量。使用固定微波频率、测量荧光强度修正频率差的方法来测量nv色心的共振频率,从而算出磁场强度和电流幅度。使用上述方法测量幅度500 A... 详细信息

将氮-空穴(nv)色心磁传感器应用到电流测量中,利用nv色心的高精度磁测量特性来实现高精度的电流测量。使用固定微波频率、测量荧光强度修正频率差的方法来测量nv色心的共振频率,从而算出磁场强度和电流幅度。使用上述方法测量幅度500 A以下、50 Hz的交流电流,可以在10 kHz的采样率下实现0.3%的测量精度,具有一定实用价值。测试中发现,nv色心磁传感器与校验电路之间的采样不同步,从而会引入测量误差,这是目前误差的主要来源。下一步的开发中将增加触发测量功能,以改善采样的同步时间精度,从而提升电流测量精度。

关键词：金刚石 nv色心电流互感器量子精密测量磁传感器光探测磁共振电子自旋共振

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基于光纤耦合金刚石nv色心系综磁强计的电路诊断方法

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航天器环境工程 2022年第1期39卷 100-104页

作者：高扬徐超群黄魁高羽婷刘超波王斌武南开刘明君张超肖琦孟立飞易忠北京卫星环境工程研究所中国空间技术研究院北京100094

为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴(nitrogen-vacancy,nv)色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性,从金刚石nv色心系综磁强计的基本原理出发,搭建了一套光纤耦合金刚石nv色心系综磁强计测试实验系统,将探头紧贴于电路导线外壳... 详细信息

为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴(nitrogen-vacancy,nv)色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性,从金刚石nv色心系综磁强计的基本原理出发,搭建了一套光纤耦合金刚石nv色心系综磁强计测试实验系统,将探头紧贴于电路导线外壳,通过测量磁强计处磁场信号的变化实现对电路的诊断。实验结果表明,金刚石nv色心系综磁强计对电路异常引起的磁场变化响应明显,对电流的分辨率优于50 mA;当探头和导线距离发生变化时,观测信号曲线呈现明显的台阶,空间分辨率优于0.4 mm。本系统采用更加简洁的方案实现了10μT量级磁场分辨率的性能指标,能够诊断出电路的电流变化并进行精确定位,可广泛应用电路无损检测及可靠性评估。

关键词：磁强计 nv色心光纤耦合电路诊断

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基于nv色心的金刚石纳米锥坑/纳米柱复合结构仿真与制备研究

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基于NV色心的金刚石纳米锥坑/纳米柱复合结构仿真与制备研究

作者：潘超内蒙古科技大学

学位级别：硕士

金刚石稳定的晶体结构为氮-空位(nv)色心提供了舒适的荧光激发环境,室温下稳定且易被调控的光学特性使nv色心在量子技术领域被广泛的应用。nv色心被应用在量子信息处理、磁场、电场、力场等量子传感技术及生物荧光检测等领域时,多以荧... 详细信息

金刚石稳定的晶体结构为氮-空位(nv)色心提供了舒适的荧光激发环境,室温下稳定且易被调控的光学特性使nv色心在量子技术领域被广泛的应用。nv色心被应用在量子信息处理、磁场、电场、力场等量子传感技术及生物荧光检测等领域时,多以荧光的读取作为传递信息的手段,但nv色心较长的荧光寿命和金刚石-空气界面的反射导致可被收集的荧光偏弱。将nv色心与金刚石纳米结构耦合可提高色心的荧光收集强度。因此,研究金刚石纳米结构的荧光增强性能对加快nv色心的应用发展具有重要意义。本论文的主要研究内容与结果如下:首先采用时域有限差分的方法研究了不同尺寸圆形与方形纳米锥坑对nv色心的发光增益效果。结果表明,深约90nm、直径约80nm的圆形锥坑可使色心的自发辐射速率提高53.1%,深约30nm、棱长约80nm的方形锥坑可使色心的自发辐射速率提高52.1%。并且圆形和方形锥坑最高可使色心的光子收集效率提高约27.2%。在纳米锥坑的仿真基础之上,建立了金刚石纳米锥坑/纳米柱复合结构的光学仿真模型,并优化得到了理论上增强效果最佳的复合结构尺寸。结果显示,复合结构可使nv色心的自发辐射速率在纳米柱的基础上再提高16.8%,使总的荧光收集强度提高15.5%。然后,通过调整实验参数制备了表面粗糙度低且光学性能良好的金刚石薄膜与单晶颗粒,并利用反应离子刻蚀与金属催化刻蚀技术实现了圆形与方形纳米锥坑的可控化制备。通过研究功率、角度、时间、压强、掩膜沉积工艺及金刚石晶面取向对纳米锥坑形貌的影响,成功制备了深度约为80nm、直径约为90nm圆形锥坑,棱长约为100nm、深度约为50nm方形锥坑。荧光检测结果表明,圆形与方形锥坑分别使nv色心的荧光增强了20%与197%。最后,采用二次沉积的工艺方法制备出了排列稀疏、直径约为200nm、高度约500nm的金刚石纳米柱阵列,并研究了掩膜种类、成型工艺及刻蚀功率对纳米柱形貌的影响。综上所述,论文采用了仿真与实验相结合的研究方法,系统研究了不同尺寸金刚石纳米锥坑与纳米柱复合结构对nv色心的荧光增强效果,并通过对刻蚀工艺的研究调控实现了纳米锥坑及纳米柱结构的可控化制备。

关键词： nv色心金刚石纳米结构荧光增强反应离子刻蚀金属催化刻蚀

基于金刚石nv色心的温度场探测以及芯片温度显微成像技术研究

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基于金刚石NV色心的温度场探测以及芯片温度显微成像技术研究

作者：周力南京邮电大学

学位级别：硕士

后摩尔时代,系统性封装技术有望能进一步提升集成电路的性能,其中,三维叠层封装是系统性封装技术中发展最长远、应用最广泛的技术。三维叠层封装会将不同类型,不同功能的芯片封装在一起,使得芯片单位面积上的电子器件数量激增,内部结构... 详细信息

后摩尔时代,系统性封装技术有望能进一步提升集成电路的性能,其中,三维叠层封装是系统性封装技术中发展最长远、应用最广泛的技术。三维叠层封装会将不同类型,不同功能的芯片封装在一起,使得芯片单位面积上的电子器件数量激增,内部结构更加复杂,热耦合现象加剧,严重时会导致芯片晶体管损坏,功能失效。因此,亟需发展高分辨、芯片级的温度场测量成像技术,用于快速定位芯片内部热源,优化封装技术的散热设计,提升芯片的良品率。但目前现有温度探头,无法满足三维叠层封装技术下芯片模组的热分析。因此,本文提出了采用金刚石氮空位色心(Nitrogen-Vacancy Center,nv Center)这一固态量子比特作为温度传感器,并以量子传感原理为核心搭建一套温度测量系统。nv色心在室温下就具有较长的量子相干时间以及光学稳定性,并且可以观测到nv色心的自旋状态,同时nv色心零场分裂具有温度依赖性,可实现高精度温度测量,这些独有的特性使得nv色心可作为温度场探头实现芯片温度场测量成像。该系统的关键组成部分包括温度传感器、光学模块、测控模块以及软件模块。传感器模块采用锥形光纤以及金刚石nv色心制备而成,分辨率可达微米量级,用于收集待测器件的温度场信息。光学模块用于激发nv色心产生荧光,并收集携带温度场信息的荧光信号进行光电转换。测控模块产生并控制脉冲信号以及微波信号的同步和控制。软件模块用于实现整个系统的自动化流程以及数据分析图像绘制等功能。本文中优化了光探测磁共振信号探测方案,分析对比不同测量方法的信噪比,将ODMR信号信噪比提升至27d B以上。在温度标定实验中对nv色心温度系数进行标定。在测温实验中与热电偶形成对照组,对不同散热环境下金属加热片温度成像进行分析,nv色心测温性能更优。本系统和红外成像系统对某大功率微波芯片进行了温度场成像,分析该芯片温度场分布,判断芯片工作情况,验证了本系统的在芯片温度测量成像上的可行性和应用价值,有望在未来的芯片温度测量领域内提供一种新的测量方案和思路。

关键词： nv色心零场分裂温度依赖性超高分辨率自动化温度成像

基于金刚石nv色心的高精度电流传感方法研究

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基于金刚石NV色心的高精度电流传感方法研究

作者：史子阳中北大学

学位级别：硕士

电流是一个基本且至关重要的物理量,研究人员正在努力寻找更准确的测量方法。近年来,电流测量技术取得了长足的进步,从传统的直接测量转向间接测量,使得电流测量的精度得到了极大的提高,为科学研究和社会发展提供了强有力的支持,即从电... 详细信息

电流是一个基本且至关重要的物理量,研究人员正在努力寻找更准确的测量方法。近年来,电流测量技术取得了长足的进步,从传统的直接测量转向间接测量,使得电流测量的精度得到了极大的提高,为科学研究和社会发展提供了强有力的支持,即从电场测量到磁场测量,使得测量更加精确、可靠,因此很多电流传感器都可以视为磁传感器。但不论哪一种电流传感方法都有自己的测量局限性,并且有一个共同的问题即线性度不够高难以突破ppm量级,无法在精密测量领域得到很好的应用,例如各种高精度设备的校准等,故市面上亟需引入新原理来开发一种新机制的电流传感方法。而金刚石中的氮空位(nv)色心是一种非常特别的缺陷,它具有出色的发光性能和自旋性,使其成为当今研究的焦点。此外,它还可以将外部环境的变化转换为自旋相关的信息,从而实现多种物理量的测量,如磁学、电学、温度场等。nv色心可以将外界变化转换为自旋相关信息实现多种物理量的测量,包括磁、电、温度场等。因此本文结合金刚石nv色心敏感机理和一种聚磁结构,利用nv色心的磁测量原理作为电流传感方法的一种新机制,实现电流的高精度测量。本文首先简介了金刚石nv色心磁传感技术和电流传感技术的近些年的研究情况,探讨了它们之间的关系,引出对金刚石nv色心电流传感方法的研究。并使用基于哈密顿方程的方法建立金刚石nv色心磁传感模型,主要通过分析了nv色心的基本结构、自旋能级结构、跃迁机理,以及高浓度制备过程来探讨研究。紧接着解释了自旋结构光探测磁共振的测量原理,分析了金刚石nv色心的测磁机理。然后再根据霍尔电流传感器的结构中的关键组成部分聚磁环,在实现实验基础上,将两者结合给出了基于nv色心的新型电流传感方法的原理。然后对金刚石nv色心电流传感结构进行了设计,主要包括三部分,其中光路模块用来对nv色心荧光进行激发和收集;磁聚集模块将通电导线周围磁场进行聚集,在气隙中形成稳定均匀的磁场供nv色心测量;微波模块对nv色心施加共振微波能量实现磁共振测量。并且重点阐述了对聚磁环的单独设计,主要是材料选取、结构尺寸、气隙参数设计以及结构性能的有限元仿真。最后对金刚石nv色心电流传感系统进行了实验平台搭建和性能测试表征,结果表明所设计电流传感器拥有优异性能,在较大的测量范围内保持超高的线性度,高达33 ppm。当输入电流范围为5-40 A时,计算电流的绝对误差小于51μA。在40 A时相对误差为2.42×10。并且传感器的长期稳定性好,1 h时间内稳定性误差低于0.0002 A。电流传感器的突出优势可以保证其在精密测量领域将具有非常广阔的应用前景。

关键词：电流传感器金刚石高精度 nv色心

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金刚石系综nv色心集成磁强计的研究

金刚石系综NV色心集成磁强计的研究

作者：陈骊颖中北大学

学位级别：硕士

氮空位（nv）色心是金刚石的一种本征发光点缺陷,因为其具有室温、光学自旋态初始化、耦合微波自旋操纵等优势成为量子传感领域研究热点。与其他类型的磁强计相比,nv磁强计具有灵敏度高、易于集成的特点,因其特点制作而成的传感器多用... 详细信息

氮空位（nv）色心是金刚石的一种本征发光点缺陷,因为其具有室温、光学自旋态初始化、耦合微波自旋操纵等优势成为量子传感领域研究热点。与其他类型的磁强计相比,nv磁强计具有灵敏度高、易于集成的特点,因其特点制作而成的传感器多用于多物理场测量、生物探针、磁成像、温度成像等领域,本文介绍了原子磁强计的研究趋势和发展现状,开展了基于nv色心的集成磁强计的研究,研究内容如下。第一将传统实验室的共聚焦系统集成到传感器中,提出了一种建立在金刚石nv色心上的集成磁力计。由靠近金刚石的光电二极管组成的平衡检测系统来实现nv色心的光学初始化和采集,这样就使得磁场传感器的设计变得非常微小,但是却包含了一个激光源、一个微波发生器、一个信号处理单元和其他必要的元素,这个便携式装置的灵敏度为26n T/Hz。第二使用了集成振动模块把传统的共聚焦系统集成在PCB板上,以圆柱形永磁体作为振动测磁检测采用的质量块,随着外界振动的影响,永磁体与金刚石nv色心的距离会产生变化,金刚石氮空位色心上的磁场强度也会发生变化,利用金刚石这一特点对振动情况进行检测。集成振动实验是在距离永磁体15 mm范围内对振动效应进行验证,测试得到金刚石氮空位色心振动传感的位移噪声灵敏度为11nm/Hz。第三研究出一种基于金刚石中氮空位（nv）色心的二维温度计模块,该温度计在一块印刷电路板（PCB）上由四个模块集成,分别为激光模块和相应的稳压电路、微波模块、聚焦模块和采集模块,它的面积仅为6.4 cm。在设备集成过程中,作者设计了一个信号放大模块,以提高信噪比（SNR）,通过放大器模块实现了荧光的～25倍的增长,并且成功地将信噪比提高了～8.9倍。固定频率光学检测磁共振（FF-ODMR）通过扫描2.84GHz的温度场来测量温度（T）和光致发光（PL）之间的关系。这是温度计的最直接显示。作者开发了一种算法,用于分析基于信噪比分析的温度计灵敏度。温度计的温度场灵敏度约为19n K/Hz。

关键词： nv色心量子磁测量量子振动检测量子温度检测信号放大器

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多频调制nv色心核自旋磁检测关键技术研究

多频调制NV色心核自旋磁检测关键技术研究

作者：赵俊枝中北大学

学位级别：硕士

固态自旋金刚石氮空位色心(Nitrogen vacancy,nv)磁传感技术利用金刚石nv色心的光致发光和自旋共振特性,通过控制磁场和微波来调控nv色心的自旋态,进而实现磁场的测量。该技术具有高灵敏度、易于集成、高空间分辨率和生物相容性等优势,... 详细信息

固态自旋金刚石氮空位色心(Nitrogen vacancy,nv)磁传感技术利用金刚石nv色心的光致发光和自旋共振特性,通过控制磁场和微波来调控nv色心的自旋态,进而实现磁场的测量。该技术具有高灵敏度、易于集成、高空间分辨率和生物相容性等优势,在生物医学、材料科学、地球物理学等领域具有广阔的应用前景。磁场测量的灵敏度以及分辨率主要受nv色心自旋态的演化和相干性的影响。本文通过研究N核自旋超精细结构光谱,展开了对提升磁灵敏度测量的方法研究,利用磁通量集中器(MFC)结合多频调制方法,通过仿真多频微波与磁通量集中器模型以及搭建核自旋磁测量平台并进行实验验证,提高了磁测量的灵敏度、为实现小型化nv磁强计提供了一种可行性方案。本文具体研究内容如下:(1)提出了多频微波与磁通量聚集结合的方法实现了N核自旋光检测磁共振高灵敏检测。建立了多频微波与磁通量聚集模型,实现了多频激励核自旋的调制参数优化。通过分析N核自旋光检测磁共振光谱模型,实现了核自旋调制信号斜率的放大。通过设计和优化磁通量集中器模型,仿真得到了磁场放大率。搭建多频调制核自旋磁测量实验平台,主要包括光路系统,多频微波场系统,磁聚集放大磁场系统、信号采集系统四大部分,得到了多频核自旋磁测量结果。(2)重点研究多频连续波稳态磁探测结合磁通量聚集器进行测量。在基于连续微波磁测量的方法下,比较核自旋与电子自旋的谱线信号对比度、线宽以及频率分辨率,其中核自旋频率分辨率为79 Hz,电子自旋频率分辨率为1.37 MHz;进而通过研究单频微波与多频微波激发下调制信号斜率的比较,证明了多频微波可以调制信号斜率的提升从而进一步提高系统灵敏度。利用磁通聚集器的磁测量方法,实现了250p T·Hz的低频灵敏度探测。(3)为了消除激光噪声对荧光波动的影响,对不同调制频率下不同功率的激光噪声与光电探测器的电子学底噪进行表征,并采用差分光路的方法,通过使用双平衡光电探测器,将探测到的荧光与激光共同输入锁相放大器进行差分使得金刚石nv色心的磁测灵敏度得到提高,同时在实验中也得到了验证,相减前为300 n V·Hz,相减后为89.1 n V·Hz,噪声降低为原来的三分之一。

关键词： nv色心核自旋多频微波激发磁通量集中器磁灵敏度