[发明专利]包括自旋缺陷的扫描传感器

说明书

一种传感器装置，该传感器装置包括载体(10)、力反馈传感器(20)和包括自旋缺陷(46)的探头(40)，该探头经由手柄结构件(30)直接或间接地连接至力反馈传感器。为了以有效且稳健的方式将自旋缺陷耦合至微波场，传感器装置包括集成的微波天线(50)，微波天线(50)布置在距自旋缺陷小于500微米的距离处。传感器装置可以构造为独立的可更换盒，其可以容易地安装在扫描探头显微镜的传感器安装部中。

技术领域

本发明涉及传感器装置，该传感器装置包括具有自旋缺陷的探头、特别地包括具有呈氮空位(NV)中心形式的自旋缺陷的金刚石探头。该传感器装置可以在扫描探头显微镜中应用，以用于通过对自旋缺陷实施光学检测磁共振(ODMR)实验并且在样品表面上扫描探头来以高灵敏度和高空间分辨率探测样品的磁性、电性或其他性质。本发明还涉及包括这种传感器装置的扫描探头显微镜、以及使用这种扫描探头显微镜来光学地检测磁共振的方法。

背景技术

对于纳米级材料科学而言，以高空间分辨率测量和分析弱磁场的能力是至关重要的。例如，来自小铁磁结构、比如磁畴、粒子和结点的杂散场的成像对于下一代数据存储介质和自旋电子器件的开发非常有帮助。杂散场的成像进一步提供了研究包括斯格明子、铁电体、复合氧化物和拓扑绝缘体的新型材料和相的方法。另外，纳米级磁测量可以用来映射应用于半导体物理、集成电路以及能量研究中的薄光活性薄膜的纳米级导体中的二维电流密度。遗憾的是，尽管付出了相当大的努力，但以纳米空间分辨率测量弱磁场仍然非常具有挑战性，并且现有技术仍然不足以支持。

WO 2014/051886 A1提出了采用扫描力显微镜机构在表面上扫描包括NV中心的感测探头。自旋状态由激光极化。NV中心的自旋状态由微波辐射操纵。使用光学显微镜检测来自NV中心的荧光。以这种方式，NV缺陷用作为具有高空间分辨率的用于磁场、电场和/或温度的探头。该文献没有提及NV中心与微波辐射耦合的方式。

A.L.Dmitriev等人的在Journal of the Optical Society of America B的第33卷第3期(2016年3月)的“Concept of a microscale vector magnetic field sensorbased on nitrogen-vacancy centers in diamond”公开了一种磁场传感器，该磁场传感器包括附着至光纤的端部以用于激励NV中心并且用于检测从NV中心发射的荧光的小金刚石晶体。微波天线卷绕在光纤周围以将微波场耦合至NV中心。该文献没有提及磁场传感器可以在空间中定位的方式。特别地，该文献未提出在表面上扫描磁场传感器。

发明内容

本发明的目的是提供包括具有自旋缺陷的探头的传感器装置，该传感器装置配置成用于对可能影响自旋缺陷的自旋状态的特性、特别是磁场或电场的特性以高空间分辨率进行成像，其中，传感器装置以如下的方式配置：使得微波场可以以简单、稳健和有效的方式耦合至自旋缺陷。

本发明提供了一种传感器装置，该传感器装置包括载体、连接至载体的力反馈传感器以及包含自旋缺陷的探头(其中存在单个自旋缺陷，或者可以存在多个自旋缺陷)。探头经由手柄结构件直接或间接地连接至力反馈传感器。为了以有效且稳健的方式将自旋缺陷耦合至微波场，传感器装置包括集成的微波天线，该微波天线布置在距自旋缺陷1至500微米的(最小)距离处。优选地，该距离小于200微米。

通过将探头连接至力反馈传感器，传感器装置配置成用于扫描探头显微镜，从而能够使自旋缺陷所敏感的特性成像。通过将微波天线集成到传感器装置中，该天线将始终处于相对于自旋缺陷的限定位置。避免了现有技术中必要的定位和校准外部天线的复杂过程。

传感器装置可以构造成独立的可更换盒，其可以连接至扫描探头显微镜的传感器安装部。以这种方式能够容易地更换传感器装置，而不需要在后续重新定位和重新校准天线。