超硬材料網

        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，監測我們的身體和周邊環境的微小變化。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構，為我們開啟新世界的大門。戴德姆（DIADEMS）開發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化。這項技術已經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。當年，該財團的目標是制造能夠探測納米級以下磁場分布的人造鉆石傳感器。現在已經實現了預期的目標，Diadems超出了所有研究人員的期望，他們現在正在開發市場應用，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）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，包括所注入的氮原子的位置和朝向，便能生產出適用于不同設備的敏感傳感器。

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，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（被稱為化學氣相沉積）中，采用高溫含碳氣體來創造鉆石。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。

應用前景廣闊

        可以說，鉆石氮空泡傳感器的成功開發，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特性，我們的很多醫學、計算機等方面的難題也將迎刃而解。

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

        “還有其他應用：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。”

        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出一些相關的項目。例如，項目合作伙伴AttoCube目前正在開發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。蒂埃里說：“項目合作伙伴還啟動了四個創業項目：nVision、SQUTEC、qnmi和qzabre。”

        他補充說：“自項目結束以來，我們一直表現的非常積極。我們的新目標是提高帶寬、靈敏度和分辨率，我們還在研究新的應用，例如基于金剛石光學諧振器的微波天線、高靈敏度傳感器。”

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

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