Les pointes en diamant disponibles dans le commerce utilisées en microscopie à force atomique (AFM) pourraient aider à rendre la détection quantique à l'échelle nanométrique rentable et pratique, Les chercheurs d'A*STAR ont découvert.

L'idée d'utiliser des « centres de couleur », défauts atomiques optiquement actifs dans le diamant, comme sonde pour prendre des mesures à l'échelle nanométrique très sensibles de quantités telles que le champ électromagnétique, Température, ou la souche est bien connue. En pratique, cependant, ces expériences nécessitaient souvent la fabrication coûteuse de nanostructures de diamant conçues sur mesure et il est difficile de collecter le très faible signal optique produit par les centres de couleur.

Maintenant, une étude récente publiée par Victor Leong, et collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux d'A*STAR, et l'Institut de calcul haute performance, suggère que l'utilisation d'embouts AFM en diamant en forme de pyramide contenant des centres d'inoccupation en silicium pourrait être utile. L'approche présente plusieurs avantages.

Premièrement, les expériences de l'équipe avec un microscope confocal et des pointes de diamant disposées dans différentes orientations montrent que la forme pyramidale de la pointe de diamant agit comme un collecteur très efficace de la photoluminescence infrarouge faible (738 nanomètres) générée par le centre de couleur. En raison d'effets géométriques, une plus grande partie de la photoluminescence émise a été canalisée vers la base de la pyramide, résultant en un signal jusqu'à huit fois plus fort que les autres directions. Dans les expériences, la base de la pointe était fixée à un porte-à-faux en nitrure de silicium, transparent à la lumière infrarouge, de sorte que la photoluminescence a pu passer et être collectée par un spectrophotomètre.

"Dans de nombreuses applications de nanodétection, le signal est intrinsèquement très faible et cela pose une limite fondamentale à la sensibilité, " a expliqué Leong. " La capacité de collecter et de détecter un signal plus important améliore de nombreuses mesures de performance telles que le signal minimum détectable, résolution et temps de mesure, par exemple."

Deuxièmement, ces pointes en diamant sont disponibles dans le commerce et compatibles avec l'AFM et l'équipement de microscope, offrant une voie à la mise en œuvre pratique. "Ces pointes AFM en diamant prêtes à l'emploi sont facilement disponibles et peu coûteuses. Elles coûtent environ 100 SGD chacune, " a commenté Leong. " S'ils contiennent des centres de couleur avec des propriétés optiques appropriées, elles pourraient remplacer à faible coût d'autres nanosondes en diamant. Le coût inférieur et la disponibilité facile pourraient aider à promouvoir le développement et l'adoption rapides d'applications technologiques quantiques. »

La taille extrêmement petite des pointes de diamant, qui ont un rayon de pointe d'environ 10 nanomètres et une longueur d'environ 15 micromètres, permet de les rapprocher extrêmement près de l'échantillon à étudier, maximiser la sensibilité de mesure et la résolution spatiale. "Ces pointes diamantées pourraient potentiellement être utilisées dans des applications de détection difficiles à réaliser avec d'autres structures diamantées, par exemple, cartographier les propriétés électromagnétiques des tranchées profondes ou de l'espace autour de nanostructures rapprochées, " a commenté Léong.

À ce jour, l'équipe s'est concentrée sur l'étude des pointes de diamant présentant des centres de couleur de lacunes en silicium, mais Leong dit qu'il est possible d'introduire également des centres de couleur de lacunes d'azote qui sont populaires dans les études de magnétométrie. « Le lot de pointes de diamant discuté dans l'article1 a été fabriqué selon un processus nominalement sans azote et avait donc de nombreux centres d'inoccupation de silicium mais très peu de centres d'inoccupation d'azote, " expliqua Leong. " Cependant, d'autres lots séparés de pointes de diamant que nous avons obtenus, contenait des concentrations élevées de centres de vacance d'azote.

Maintenant que l'équipe a montré qu'une lecture optique améliorée est possible à partir des pointes de diamant, la prochaine étape de la recherche consistera à optimiser les performances, puis à effectuer des expériences de détection réelles. " dit Léong.