Advanced Science：在量子水平上按需直接打印納米金剛石

【引言】

金剛石晶體中的點缺陷，如氮空穴（NV）中心和其他新興的IV族缺陷，如硅空穴中心（SiVs），已經成為量子信息處理、量子計算、量子光學和量子傳感的動力源。作為最公認的金剛石缺陷之一，NV中心在室溫下顯示出其獨特的量子特性和穩健性，為量子技術的實現提供了一條可行的途徑。特別是，NV中心可以承載在納米級的金剛石顆粒（納米金剛石）中，作為多功能納米劑，在不同的領域有許多應用的機會。例如，NV中心的納米金剛石已經證明了其作為磁測和測溫的納米尺度探針的能力，以及作為生物體內跟蹤動態生物過程的生物標記物的能力。由于量子系統的“脆弱性”，充分利用它們的能力需要一種策略來根據需要高精度地操縱和訪問它們。在生產和操縱含有NV中心的納米金剛石已經進行了大量的研究。納米金剛石可以很容易地大量生產，并已投入商業使用多年。NV中心的引入主要是通過離子注入實現的，即使用亞微米空間分辨率的聚焦氮、氦離子或電子束輻照。然而，納米金剛石的“不均勻”性質是由它們的制造方法帶來的，即每個單獨的顆粒保持不同的尺寸、形態和表面性質。這進一步使得難以實現納米金剛石可以高精度定位到目標位置的設想方案。為了改善納米金剛石與各種襯底和電路的兼容性，已經設計了幾種嘗試。首先，基于滴注或旋涂的隨機方法提供了一種簡單且經濟的方法，將NV中心的納米金剛石放置在襯底上，但在粒子定位上存在隨機性。“拾取-放置”方法使用納米操縱器進行實時觀測，提高了定位精度，在NV中心與納米光子結構的近場耦合方面取得了令人振奮的進展。然而，這些復雜的方法難以滿足所需的產量。盡管光刻制備的靜電圖案或直接噴墨打印方法最近已被用于NV中心的大規模集成，但仍需要一種通用且靈活的制造路線，以實現納米級精度、可擴展性、成本效益、并與各種納米光子電路有效耦合。

【成果簡介】

近日，在香港大學Ji Tae Kim教授和褚智勤教授團隊等人帶領下，開發了一種電流體力學（EHD）點膠方法，可以直接在普通襯底上打印含有NV中心的納米金剛石，其數量和位置都是可編程的，不需要任何光刻過程。為了實現高精度和高保真的打印工藝，定量研究了載有亞升體積的納米金剛石液滴的EHD噴射動力學和懸浮穩定性。結果證明了亞波長的定位精度、單顆粒級的按需數量控制和可編程的圖案能力。這種直接打印方法提供了一個簡單、靈活、準確和具有成本效益的途徑，將金剛石缺陷進一步發展到許多令人興奮的研究領域。該成果以題為“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level”發表在了Advanced Science上。

【圖文導讀】

圖1 打印納米金剛石的概念

a)當直流電壓施加到背電極時，NV中心納米金剛石的EHD打印概念圖。打印包括三個步驟。

b)在背電極上施加360V的負電壓時，將納米金剛石納米液滴噴射到背面電極上。

c)納米液滴輕輕落在襯底上，由于濕潤增強溶劑蒸發而干燥。

d)溶劑蒸發完成后，形成納米金剛石團簇，嵌入的NV中心是光學可接近的。

e)間距為3 μm的納米金剛石簇陣列的FE-SEM圖像（比例尺：2 μm）。

f)打印的納米金剛石團簇陣列在532 nm激發下的典型共焦熒光圖像（記錄的熒光波長范圍：647-800 nm）。

圖2 打印產率

a)納米金剛石的打印產率與懸浮液的離子強度有關。

b-g)不同離子強度下納米金剛石懸浮液的粒徑分布，從(b) 8.6、(c) 12.7、(d) 32.7、(e) 49.4、(f) 131.5至(g) 340.8μm。隨著離子強度的增加，由于大尺寸的納米金剛石的聚集體堵塞噴嘴，導致打印產率下降。

圖3 每點打印納米金剛石的數量控制

a-d)在360 V恒定電壓下，通過改變電脈沖長度(a) 20、?(b) 15、?(c) 10、到(d) 5 ms，在一個點上打印、納米金剛石團簇的FE-SEM圖像。使用1μg mL^?1的納米金剛石油墨（比例尺：200 nm）。

e)在20(紅色)、15(綠色)、10(藍色)、到5 (黃色)ms不同脈沖長度下，每個點打印的納米金剛石數量分布直方圖。

f)在不同電脈沖長度下，每個點打印出的納米金剛石數量的統計方法。

圖4 打印點上的缺陷數量

a) 5 × 5打印納米金剛石陣列的共聚焦熒光圖像。每個點都是用電壓幅度為360 V、長度為5 ms的單個電脈沖打印的，使用的是1μg mL^?1納米金剛石油墨。紅色圓圈表示可檢測到NV自旋，而白色圓圈表示未檢測到。

b)測量的相應熒光點的二階相關函數g(²)(τ)。

c)每個點的NV中心數量分布直方圖。

圖5?按需打印含有NV中心的納米金剛石

a)帶有“HKU”的NV中心圖案的FE-SEM圖像。

b)其相應的寬視野熒光圖像（比例尺：4 μm）。

【小結】

綜上所述，團隊已經開發了一種直接的納米級EHD打印技術，可以隨意放置含有點缺陷的納米金剛石。通過打印條件證明，可以按需控制打印的納米金剛石的數量和位置，因此，打印的材料已經達到了單顆粒的水平，只包含幾個缺陷中心。進一步研究，納米液滴中的潤濕和咖啡環效應，有可能提高打印精度。該方法簡單、通用，因此可以擴展到打印各種尺寸、缺陷密度和類型的納米金剛石，如SiV中心。此外，這種無光刻技術的方法將降低這種固態量子器件在不同領域所需的技術障礙。

文獻鏈接：On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level（Advanced Science，2021，DOI：10.1002/advs.202103598）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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