Nature Communications-小小鉆石就能使納米技術前進一大步

控制鉆石、光電子或者寬帶電漿納米結構中氮-空位中心相互作用的能力，對于發展具有最佳性能的固態量子設備來說至關重要。現有技術通常都是采用自上而下的納米加工技術，然而，這種加工方法限制了氮-空位中心的可伸縮和可行性操作。

日前，來自美國馬里蘭大學的研究人員開發了一種自下而上的方法，用其加工新興的一類納米鉆石基混合納米結構，該結構具有電子漿納米顆粒或激子量子點等外部功能單元。研究人員已經能夠精確控制該結構包括尺寸、成分、覆蓋范圍以及外部功能單元在內的參數，這為探尋其內在物理機制做好了鋪墊。此外，通過結構調整實現對放射特性的精細調控，已經在單個顆粒的優化研究中得到了證明。

該研究豐富了定性量子發射器的方法，對于使用獨立式混合納米結構作為建筑模塊的氮-空位中心設備，該研究促進了設計大綱的制定。

【圖文導讀】

圖1?一般混合納米金剛石金屬納米顆粒的合成過程

（a）不同生長階段合成過程示意圖（S1-S6）. S1：純的納米金剛石（ND）；S2：用含有羧酸基團酸處理的ND；S3：含有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分子的ND；S4：金屬離子固定在ND表面：S5：金屬納米粒子在ND表面成核；S6：金屬納米粒子在ND表面生長.

（b）TEM圖顯示通過（a）合成的混合ND-Ag納米顆粒非常均勻的分散，比例尺：200nm.

圖2 混合ND-Ag納米結構中對銀納米顆粒覆蓋范圍和尺寸的精細控制

（a-f）相同表面覆蓋（0.016±0.002/nm²）銀納米顆粒尺寸的控制. a，b，c，d，e和f分別為三個樣品尺寸演化的單個混合納米結構和它們對應尺寸分布直方圖的TEM圖，比例尺：50nm，紅線為直方圖的高斯擬曲線.

（g-l）相同尺寸（8.6±1.1nm）Ag納米顆粒表面覆蓋的控制. 對于三個不同樣品在ND表面Ag納米顆粒表面覆蓋的控制，g，h，i，j，k，和l展示了單個混合納米結構和它們對應表面覆蓋直方分析圖的TEM圖，TEM的比例尺：50nm，紅線為直方圖高斯擬合曲線.

圖3 基于混合ND納米結構中表面功能單元的成分調控

（a）將ND表面的Ag納米顆粒轉換成不同功能單元的兩個化學轉換過程示意圖. 方法1:通過電替代機制形成金屬納米顆粒 （M）；方法2：通過離子交換機制形成半導體量子點（MX），X代表硫族元素.

（b-c）比率x可調的混合ND-Au_1-xAg_x納米結構，（b）典型的TEM大范圍圖，比例尺為500nm，插圖展示了單個混合納米顆粒電鏈反應的結構特性，比例尺為50nm；（c）不同x的EDS圖譜演化，高分辨率控制混合納米結構中金屬納米顆粒的成分，垂直的綠色線和紅色虛線分別指示Ag和Au的特征峰.

（d-g）擁有單晶CdSe量子點的混合ND-CdSe納米結構. （d）典型的TEM大范圍圖，比例尺為500nm；（e）單個混合納米結構的典型TEM圖；（f）在ND和CdSe界面處突出晶格不匹配高分辨率TEM，實心黃線和綠線分別強調ND和CdSe晶格取向，黃色和綠色虛線分別強調ND和CdSe量子點界面，比例尺：5nm；（g）ND-CdSe生長過程中EDS的演化圖，藍色： ND–Ag；綠色：ND–Ag2Se；紅線：ND–CdSe；垂直亮綠色、粉紅色、橙色虛線分別指示Ag、Se和Cd元素峰的特性.

圖4?混合ND-SiO2-Ag納米結構中SiO2隔片以可控厚度生長

（a）ND-SiO2殼體典型大范圍TEM圖像，SiO2殼的平均厚度為14.8nm，比例尺為200nm.

（b）單個ND-SiO2納米結構對應的高分辨率TEM圖，黃色虛線強調ND與SiO2殼之間的界面，比例尺為50nm.

（c-g）厚度分別為3.0，7.5，12.2，35.3和90.1nm的單個ND-SiO2殼TEM圖，黃色虛線強調ND與SiO2殼之間的界面，比例尺 為50nm.

（h）混合ND-SiO2-Ag納米結構的典型大范圍TEM圖，比例尺為200nm.

（i）單個混合納米結構對應的高分辨率TEM圖，黃色虛線強調ND與SiO2殼之間的界面，比例尺為50nm.

圖5?由5nm Ag納米顆粒組成的混合ND-Ag納米結構中電子漿-氮-空位（NV）的耦合

（a）混合ND-Ag納米結構二維熒光圖，比例尺為10um.

（b）純ND（圓圈）與混合ND-Ag納米結構（方框）典型的自相關（g⁽²⁾(τ)）曲線，紅色實線與藍色曲線分別為ND、ND-Ag數據的雙指數衰退的擬和曲線，兩個的數據均來在含有6個NV中心的NDs.

圖6?不同混合ND-金屬納米結構中修正電子漿-NV耦合

（a）NV中心的熒光壽命依賴混合ND-Ag納米結構（對應圖2中圖a-f）中Ag納米粒子的尺寸. 藍綠色：純的ND；綠色：ND- Ag（2.6nm）；橙色：ND-Ag（4.1nm）；紅色：ND-Ag（6.0nm），所有ND-Ag混合納米結構表面覆蓋有相同的Ag（0.004個/nm²）.

（b）NV中心的熒光壽命依賴混合ND-Ag納米結構（對應圖2中圖g-l）中Ag納米顆粒的覆蓋. 藍綠色：純的ND；綠色：0.002個/nm²；橙色：0.012個/nm²；紅色：0.195個/nm²，所有ND-Ag混合納米結構中Ag的平均尺寸為4.5nm.

（c）NV中心的熒光壽命依賴混合ND基納米結構（對應圖3中圖c）中金屬納米粒子的成分. 藍綠色：純的ND；深黃色：ND– Au；粉紅色：ND–Ag. ND–Au與ND–Ag混合納米結構的表面覆蓋密度均為0.008個/nm².

文獻鏈接：Nanodiamond-based nanostructures for coupling nitrogen-vacancy centres to metal nanoparticles and semiconductor quantum dots