[发明专利]一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计及其制备方法，属于固态磁强计的制备技术领域。本发明固态磁强计是在M/NEMS工艺基础上，引入超表结构透镜以实现激光的准直聚焦，利用N型100硅晶面各向异性湿法腐蚀的特性，结合ALD薄膜淀积及倒装焊，实现荧光的高效收集，具有工艺可操作性强，便于批量化等显著优点；同时采用超表结构透镜代替传统的物镜，以实现激发激光的准直聚焦。本发明的固态磁强计通过M/NEMS工艺在N型100硅片上实现硅的各向异性腐蚀，形成荧光反射面，同时镀以复合膜系结构，在实现荧光高反射的同时，对高反射膜进行有效保护。

技术领域

本发明属于固态磁强计的制备技术领域，涉及一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计及其制备方法。

背景技术

基于NV色心的固态磁强计具有纳米量级的空间分辨率和微特斯拉的磁灵敏度，可实现超高精度的磁探测，同时，NV原子磁强计具有体积小、稳定度高、启动时间快、可高度集成等潜在巨大优势，受到广泛关注。

基于NV色心的固态磁强计基本原理为：NV色心受特定波长激光激发和磁场作用下，在频率为2.87GHz的微波调制下电子自旋共振的塞曼分裂程度反映出磁场的矢量信息。目前已有相关专利对此进行了论述，如专利CN108983121 A和专利CN108732518A等，虽然进行了卓有成效的研究，但其荧光收集效率受到结构设计方面的影响，致使NV色心块体侧壁的荧光无法收集，同时由于物镜等的存在，造成整个系统的体积较大，进而造成后续量产时的高成本及较低的测量精度。荧光收集效率是影响金刚石NV色心磁强计灵敏度的关键因素之一，轻量化、高集成度是未来NV色心磁强计走向实用化的必然趋势。荧光收集效率的提高是解决来NV色心磁强计走向实用化的有效途径之一。

因此基于上述NV色心磁强计存在的不足，需要开展基于M/NEMS技术的NV色心固态磁强计集成化、微型化研究，以便重点突破荧光高效收集的技术瓶颈，实现基于NV色心的钻石磁强计的微小型化集成。因此，具有较高的科学研究意义和较大的实际应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计；本发明的目的之二在于提供一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计，所述固态磁强计从下到上依次包括超表结构透镜S₁、改进的含有反射面的硅凹槽S₂、改进的含有NV色心的金刚石S₃、微波天线S₄，其中改进的含有反射面的硅凹槽S₂、改进的含有NV色心的金刚石S₃和微波天线S₄可实现一体化集成；所述固态磁强计还包括在基于NV色心的荧光高效收集固态磁强计的使用过程中与荧光收集装置相连的光电探测器S₅；

所述超表结构透镜S₁包括衬底和在衬底上制备的超原子结构阵列；

所述一体化集成是指将含有NV色心微纳结构的金刚石S₃通过倒装焊精确定位后，固定于改进的含有反射面的硅凹槽S₂上，同时将微波天线S₄通过M/NEMS方法直接成型于改进的含有NV色心的金刚石S₃表面；

所述改进的含有反射面的硅凹槽S₂包括N型100硅片、在所述N型100硅片上形成的倾斜反射面、高反射膜和保护膜。

优选的，所述超表结构透镜S₁按照如下方法制备：首先通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在衬底上生长无定形硅(ɑ-Si)或通过磁控溅射的方式在衬底上形成TiO₂薄膜，然后将所述无定形硅(ɑ-Si)或TiO₂薄膜通过微纳加工的方法在衬底上形成超原子结构阵列；