光與材料技術的結合是新型傳感技術發展的關鍵。對電場、磁場和溫度進行高時空分辨的*探測，對于納米級量子器件的研發至關重要。金剛石中的“顏色中心”（尤其是氮-空位中心，NVcenters）因其獨特的量子態而成為潛在的理想傳感單元。然而，傳統基于光學檢測磁共振（ODMR）的手段時間分辨率只能達到納秒量級，難以滿足超快過程探測的需求。

近日，日本筑波大學團隊在《NatureCommunications》上發表成果“Anultrafastdiamondnonlinearphotonicsensor”，利用金剛石中的“氮-空位中心”（NVcenters），打造出了一種超快非線性光子傳感器，實現了飛秒級時間分辨、納米級空間分辨的電場探測。

研究人員將超快泵浦-探測技術與掃描探針顯微鏡（SPM）結合，開發了一種新型電光（EO）傳感器：

在金剛石納米探針中引入淺層（<40nm）NV中心，使其具備電光效應；

通過10飛秒的近紅外激光脈沖，實現對材料表面電場的采樣；

實驗結果顯示，時間分辨率可達100飛秒，空間分辨率優于500nm。

這種設計突破了傳統電光傳感器受衍射極限限制的瓶頸，能夠實現納米-飛秒級的聯合探測。

實際意義

這一成果在科研與應用層面具有多方面價值：

半導體材料與器件：在功率器件（如SiC、GaN）中，表面電場的分布與動態變化直接關系到器件的擊穿電壓和長期可靠性。該方法為器件失效機理研究提供了新工具。

二維材料與光電器件：對單層與多層WSe?的對比實驗表明，該技術能夠揭示層數、表面氧化等因素對載流子動力學的影響，為二維材料在光電子和邏輯器件中的應用提供參考。

量子傳感發展：相比傳統的ODMR方法，該技術大幅提升了時間分辨率，未來有望擴展到磁場、溫度等多維度參數的綜合探測，為量子計算與量子網絡中的器件診斷提供手段。

納米檢測與材料科學：在納米尺度下觀察材料表面超快電場演化，有助于理解界面缺陷、散射機制等關鍵物理問題，為材料設計與優化提供支撐。

隨著NV探針靈敏度的提升和商業化NV金剛石探針的應用，該類超快非線性光子傳感器有望將空間分辨率進一步提升至10nm級別。結合當前半導體產業對高分辨測試技術的需求，該研究提出的方案具有較強的延展性和應用潛力。其在量子傳感、先進材料研究及高端檢測裝備領域，都可能發揮越來越重要的作用。

圖文導讀

 

圖1|電光納米顯微技術的概念示意圖。a采用金剛石NV*的超快泵探測測量示意圖，采用“針尖模式”——即在樣品上每個指定點垂直進退原子力顯微鏡探針。樣品通過壓電掃描器在x-y方向掃描。b采用鉆石NV*進行電光采樣的示意圖。

 

圖2|金剛石NV探針的制備過程。a聚焦離子束制備的金剛石NV*的掃描離子顯微鏡圖像。b金剛石NV*的光致發光圖像。c用于確認金剛石*NV中心的發光測量示意圖。在135μW功率的532nm連續波激光照射后，通過共聚焦顯微鏡將光致發光信號收集至雪崩光電二極管。d附著于懸臂梁的金剛石NV探針頂視光學圖像。e附著于懸臂梁的金剛石NV探針側視圖。f搭載金剛石NV探針的自傳感懸臂梁光學圖像。

 

圖3|采用金剛石NV探針在n型砷化鎵基底上檢測電場。a表面能帶彎曲示意圖及金剛石NV*的針尖模式布局。表面態由鐘形虛線表示，其中費米能級（EF）下方能帶被電子占據（–）。VB和CB分別表示價帶和導帶。b室溫下未放置金剛石NV探針的n-GaAs晶片宏觀時間分辨c采用鉆石NV探針在n-GaAs基片上獲得的局部時間分辨電光信號。插圖展示自傳感懸臂梁的光學圖像，其上附有鉆石NV探針。圖b和c中的黑色虛線曲線為指數擬合曲線，用于提取正文中闡述的弛豫時間常數。

 

圖4|WSe2上EO信號的時空測量。a采用金剛石NV探針獲得的60μm×60μm區域地形圖。P1~P3標記宏觀測量位置：P1對應1層WSe2，P2對應體相WSe2，P3對應SiO2襯底。虛線箭頭代表(c)和(e)中的線掃描區域。b在室溫下，從WSe2/SiO2表面三個不同位置（無金剛石NV探針）獲得的時分辨電光信號。c采用硅探針進行200納米步進的原子力顯微鏡線掃描。P4~P11代表測量位置，從單層到多層（體相）WSe2。高度波動可能源于樣品表面褶皺和/或潔凈室系統的振動。d鉆石NV探針與樣品的CMOS圖像。e鉆石NV探針獲得的局部時間分辨電光信號。e圖中黑色實線分別采用單指數衰減函數（單層）與雙指數衰減函數（體相）擬合所得。f圖為不同位置時間分辨電光信號擬合獲得的時間常數，誤差條表示標準偏差。c圖與f圖中綠色矩形陰影區域代表體相區域。

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