超硬材料網(wǎng)

        說起鉆石，大家就會想到真摯的愛情、美滿的婚姻。其實，鉆石除了美麗之外，它還有意想不到的實際作用，那就是打造極其靈敏的傳感器。我們的生活早就被各種傳感器包圍，從心電監(jiān)護到煙霧報警器，每天，傳感器都通過搜集光線、電流、圖像和聲音，監(jiān)測我們的身體和周邊環(huán)境的微小變化。但是，目前的傳感器仍然無法探測納米級別的磁場，大大阻礙了我們對未知的探究。而鉆石，憑借它特殊的晶體結(jié)構(gòu)，為我們開啟新世界的大門。戴德姆（DIADEMS）開發(fā)出的人造鉆石傳感器能夠以前所未有的超高精度測量磁場，目前，他們正在把該成果進行商業(yè)化。這項技術(shù)已經(jīng)在四家新秀公司取得成功。

        戴德姆自2016年被科迪斯收購后，工作上取得了很大的進展。當(dāng)年，該財團的目標(biāo)是制造能夠探測納米級以下磁場分布的人造鉆石傳感器?，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)，Diadems超出了所有研究人員的期望，他們現(xiàn)在正在開發(fā)市場應(yīng)用，同時進行一個潛在的新研究項目的研究工作。

        氮原子嵌入到金剛石晶格中

        戴德姆的傳感器是基于人造超純鉆石中的“氮空位”（NV）中心進行開發(fā)的。超純單晶金剛石中的單個碳原子被一個氮原子取代后，相鄰的晶格空隙就產(chǎn)生了一個氮空位中心，也就能夠探測納米級別的磁場。為了能更好地發(fā)揮氮空泡中心的性能，鉆石中的氮空泡需要剛好在晶體表面之下，因為有效的磁耦合（測量用效應(yīng)）取決于傳感器與樣品材料之間的緊密接觸。如果可以控制氮空泡的性質(zhì)，包括所注入的氮原子的位置和朝向，便能生產(chǎn)出適用于不同設(shè)備的敏感傳感器。

如何做到？

        對于戴德姆研究團隊而言，“離子注入”，也就是將氮原子注入正確的位置尤為關(guān)鍵。試想將氮離子照進面積約4平方毫米（4mm square）、厚度只有半毫米的鉆石晶體，難度非同小可。如何操作呢？可以考慮通過控制輸入的離子的能量，直接將氮植入幾納米（1 納米=10^-9米）以下的晶體表面。

        或者采用另一種新型技術(shù)，也就是把氮原子添加在仍在生長的鉆石里。DIADEMS的研究團隊使用合成的石頭，在其生長的過程（被稱為化學(xué)氣相沉積）中，采用高溫含碳?xì)怏w來創(chuàng)造鉆石。只要在這些氣體中添加氮氣，就可以在表面之下可控的位置生成一層氮，氮空泡中心的性能也就得以控制。

應(yīng)用前景廣闊

        可以說，鉆石氮空泡傳感器的成功開發(fā)，意義非凡。這意味著在我們可以在單個分子水平上分析物質(zhì)特性，我們的很多醫(yī)學(xué)、計算機等方面的難題也將迎刃而解。

        戴德姆項目的合作者、泰勒斯研究與技術(shù)中心的蒂埃里·德布伊斯施特（Thierry Debuisschert）表示：“其中一個應(yīng)用是制作用于監(jiān)測電子電路的廣域磁成像儀。因為它可以在室溫和環(huán)境大氣條件下工作，所以是一種使用起來非常方便的新工具?！?/p>

        “還有其他應(yīng)用：可以增強高密度硬盤的讀/寫磁頭特性，這樣就可以再增加磁盤的容量；核磁共振（NMR）要求具有較高的靈敏度，在MRI機器中使用該技術(shù)可以降低成本和減小磁場強度；新型光子器件可以提高NV熒光探測器的效率；可以用在反鐵磁材料GHz范圍的光譜分析及磁疇的表征工作中?！?/p>

        因為有這么巨大的潛力，所以我們好不驚訝地看到歐洲各地涌現(xiàn)出一些相關(guān)的項目。例如，項目合作伙伴AttoCube目前正在開發(fā)一種原子力和共焦組合的顯微鏡。這種顯微鏡使用單個NV中心作為傳感器，主要用在商業(yè)使用上。第6元素公司（Element 6）是戴德姆的另一個合作伙伴，做了許多基于NV先進材料的投資和項目開發(fā)。蒂埃里說：“項目合作伙伴還啟動了四個創(chuàng)業(yè)項目：nVision、SQUTEC、qnmi和qzabre?！?/p>

        他補充說：“自項目結(jié)束以來，我們一直表現(xiàn)的非常積極。我們的新目標(biāo)是提高帶寬、靈敏度和分辨率，我們還在研究新的應(yīng)用，例如基于金剛石光學(xué)諧振器的微波天線、高靈敏度傳感器?！?/p>

        該財團還提交了一份關(guān)于在Horizon 2020中獲得進一步供資的新提案，目前相關(guān)單位正在對該提案進行評估。其目標(biāo)有三：一是開發(fā)基于磁場測量的先進應(yīng)用，如電動汽車、疾病早期診斷、生物學(xué)、機器人和無線通信管理。二是致力于制作全新的傳感器，以檢測細(xì)胞內(nèi)的溫度、監(jiān)測高壓下物質(zhì)的新狀態(tài)、感測具有極高靈敏度的電場。三是開發(fā)新的測量工具來描述制藥工業(yè)中單分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及納米級自旋電子器件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

        新項目將開發(fā)社會上十分必需的新工具，利用這些全新的工具設(shè)備將獲得以下預(yù)期成果：實現(xiàn)制備具有超低雜質(zhì)水平的最高品位金剛石材料，開發(fā)出能克服傳感方案中殘余噪聲的先進傳輸協(xié)議，以及實現(xiàn)對微型和高效器件的工程優(yōu)化。