一种在金刚石表面制备正反面连通的超薄共面波导的方法

1.本发明涉及量子传感技术领域，特别涉及一种在金刚石表面制备正反面连通的超薄共面波导的方法。


背景技术：

2.基于金刚石中的氮-空位点缺陷电子自旋(nv色心)的磁强计是一种新兴的量子传感器，它具有灵敏度高、空间分辨能力强、可在各种温度和环境下工作等诸多优势。
3.nv色心的一项重要应用是利用其极高的磁场探测灵敏度和空间分辨能力研究小尺寸二维材料的表面磁结构，其基本做法是将二维材料解离在块状金刚石表面，并在块状金刚石表面的周围贴上铜箔制作的微波波导。以研究超导样品的均匀性为例，nv色心荧光强度受微波场的大小调制，然而由于迈斯纳效应的存在，超导态样品上方的微波强度相比周围会显著减弱，具体体现为扫描成像中，超导态样品区的荧光强度相比样品破损处或是周围非样品区更强。
4.但是该方法还存在很多局限：首先，许多二维材料很难被解离到金刚石的表面；其次，一些透明的单层二维材料即使解离到了金刚石表面，也难以用一般的光学显微镜对其进行观察，在实验中无法找到样品所在的位置。
5.一种突破上述限制的改进方法是：将块状金刚石直接放置在二维材料原衬底之上，当二者距离控制在数微米或更短时，nv色心仍能对样品表面的磁结构进行有效测量。但该改进方法的难点在于：常规的微波波导厚度均在10微米以上，因此当块状金刚石距离二维材料原衬底过近时，微波波导则无法设置在金刚石与样品之间，而将微波波导放置在金刚石背面或周围较远处时则又会使nv色心附近的磁场强度大幅降低，从而严重影响测量的信噪比。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的利用金刚石nv色心研究小尺寸二维材料的表面磁结构过程中所用的微波波导的厚度较大的问题，本发明的目的在于提供一种在金刚石表面制备正反面连通的超薄共面波导的方法。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种在金刚石表面制备正反面连通的超薄共面波导的方法，所述金刚石包括正面、反面以及连接在所述正面与所述反面之间的侧面，所述超薄共面波导包括位于金刚石的正面且用于在nv色心附近产生微波磁场的正面共面波导、位于金刚石的反面且用于连接外部电路的反面共面波导以及位于金刚石的侧面且用于连接所述正面共面波导与所述反面共面波导的侧面共面波导，所述方法包括以下步骤：
9.s1、将金刚石置于溅射镀膜设备中的支架上，使所述金刚石的正面呈45
°
角倾斜并朝向溅射方向，并遮挡住所述金刚石的正面不需要进行镀膜的部分；
10.s2、启动溅射镀膜设备，在所述金刚石的正面和侧面上分别生长出电性连通的正
面金电极和侧面金电极；
11.s3、180
°
翻转金刚石，并遮挡住所述金刚石的反面不需要进行镀膜的部分；
12.s4、启动溅射镀膜设备，在所述金刚石的反面和侧面上分别生长出电性连通的反面金电极和侧面金电极，获得所述超薄共面波导；
13.其中，所述正面金电极为所述正面共面波导，所述反面金电极为所述反面共面波导，所述侧面金电极为所述侧面共面波导。
14.优选的，在s2和s4中，溅射镀膜的过程均为先生长10nm的镉镀层后再生长300nm的金镀层。
15.优选的，所述溅射镀膜设备为磁控溅射镀膜设备。
16.优选的，所述支架包括基体以及与所述基体可拆卸固定连接的挡片；所述基体的顶面设置有与溅射方向呈45
°
角倾斜的承载平面，且所述承载平面的下端设置有用于阻挡所述金刚石滑落的挡边；所述挡片位于所述承载平面的上方，且所述挡片与所述承载平面之间具有容纳所述金刚石的间隙；所述挡片包括正面挡片和反面挡片，所述正面挡片开设有与所述正面金电极相适配的正面镂空槽，所述反面挡片开设有与所述反面金电极相适配的反面镂空槽，其中，所述正面镂空槽及所述反面镂空槽均覆盖所述金刚石的侧面。
17.优选的，所述正面挡片及所述反面挡片均通过螺钉可拆卸固定在所述承载平面上。
18.另一方面，本发明还提供一种具有超薄共面波导的金刚石，由上述的方法制备获得。
19.采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：由于溅射镀膜技术的应用以及金刚石呈45
°
角度及其双面溅射的设置，使得经两次溅射操作后即可在金刚石的表面形成正面、侧面至反面依次连通的由金电极构成的超薄共面波导，从而实现在nv色心贴近样品的同时，还能够在nv色心处产生与足够强的微波调控场，适用于金刚石与样品距离较近的应用场景。
附图说明
20.图1为本发明中表面具有正反面连通的超薄共面波导的金刚石的示意图；
21.图2为本发明实施例一中的方法流程图；
22.图3为本发明中用于生长正面金电极的支架的结构示意图；
23.图4为本发明的溅射镀膜原理示意图；
24.图5为本发明实施例一中获得的正面金电极的示意图；
25.图6为本发明实施例一中获得的侧面金电极的示意图；
26.图7为本发明中用于生长反面金电极的支架的结构示意图；
27.图8为本发明实施例一中获得的反面金电极的示意图；
28.图9为本发明实施例一中电连通性测试装置的示意图；
29.图10为本发明实施例一中使用卤钨灯光源配合y型光纤以正面金电极为参考光谱测量到的样品表面的反射光谱示意图；
30.图11为本发明实施例一中对金刚石的nv色心的拉比震荡频率测量的结果示意图。
31.图中:1-基体、2-正面挡片、21-正面镂空槽、3-反面挡片、31-反面镂空槽。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
33.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
35.另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.实施例一
37.一种在金刚石表面制备正反面连通的超薄共面波导的方法，如图1所示，该金刚石呈矩形六面体构造，其包括正面、反面以及连接在正面与反面之间的四个侧面，超薄共面波导则包括位于金刚石的正面且用于在nv色心附近产生微波磁场的正面共面波导、位于金刚石的反面且用于连接外部电路的反面共面波导以及位于金刚石的其中一个侧面(以下称为连接侧面)且用于连接正面共面波导与反面共面波导的侧面共面波导。
38.本实施例提供的方法则用于在金刚石上制备出上述的超薄共面波导，如图2所示，该方法包括以下步骤：
39.s1、将金刚石置于溅射镀膜设备中的支架上，并使金刚石的正面呈45
°
角倾斜并朝向溅射方向，并遮挡住金刚石的正面不需要进行镀膜的部分。
40.其中，溅射镀膜方式配置磁控溅射镀膜。另外如图3所示，该步骤所用的支架包括基体1以及与基体1可拆卸固定连接的正面挡片2。基体1的顶面朝向溅射镀膜设备的溅射方向，并且使顶面构成与溅射方向呈45
°
角倾斜的承载平面，待镀膜的金刚石则放置在承载平面上，并使金刚石的反面与承载平面相接触，从而是金刚石的正面以及连接侧面均呈45
°
角倾斜并朝向溅射方向，如图4所示。同时，承载平面的下端设置有用于阻挡金刚石滑落的挡边。
41.其中，正面挡片2则位于承载平面的上方，并配置正面挡片2与承载平面之间具有用于容纳金刚石的间隙。在连接固定上，配置正面挡片2上开设有螺钉穿孔(沉孔)，承载平面上开设有螺纹孔，使得正面挡片2通过螺钉可拆卸固定在承载平面上。而间隙布置上，配置正面挡片2朝向承载平面的一侧具有多个凸台，以便于在正面挡片2与承载平面之间形成间隙。另外，正面挡片2上开设有与所需要的正面金电极相适配的正面镂空槽21，并且正面镂空槽21延伸覆盖到金刚石的连接侧面，从而使得溅射材料能够通过正面镂空槽21镀附到金刚石的正面和连接侧面上，从而获得所需要的电极图案。
42.s2、启动溅射镀膜设备，在金刚石的正面和连接侧面上分别生长出电性连通的正面金电极和侧面金电极。
43.其中，溅射镀膜的详细过程为：先在金刚石的正面和连接侧面先生长10nm的镉镀层后，再在金刚石的正面和连接侧面生长300nm的金镀层，从而分别在金刚石的正面和连接侧面获得相互间电性连通的正面金电极和侧面金电极，分别如图5及图6所示，图中黑色部分为生长有镀层的部分，白色部分为遮挡部分。
44.s3、180
°
翻转金刚石，并遮挡住金刚石的反面不需要进行镀膜的部分。
45.180
°
翻转金刚石前，需要先拆除正面挡片2，而在180
°
翻转金刚石后，此时是金刚石的反面和上述的连接侧面呈45
°
角倾斜并朝向溅射方向。通常，由于反面共面波导与正面共面波导的样式并不一致，因此还需要换用反面挡片3，如图7所示，该反面挡片3的结构以及其与基体1的连接方式均与正面挡片2相同，其区别在于反面挡片3上开设有与反面金电极相适配的反面镂空槽31，同时，该反面镂空槽31也延伸覆盖至金刚石的连接侧面，如此设置，使得在换用反面挡片3后，溅射材料也能够通过反面镂空槽31镀附到金刚石的正面和连接侧面上以获得所需要的电极图案。
46.s4、启动溅射镀膜设备，在金刚石的反面和连接侧面上分别生长出电性连通的反面金电极和侧面金电极，获得上述的超薄共面波导。
47.该步骤中，溅射镀膜的详细过程也为：先在金刚石的正面和连接侧面先生长10nm的镉镀层后，再在金刚石的正面和连接侧面生长300nm的金镀层，从而分别在金刚石的正面和连接侧面获得相互间电性连通的正面金电极和侧面金电极，分别如图8及图6所示。可见，图5所示的正面金电极与图8所示的反面金电极存在相似之处，该相似之处体现在侧面金电极上时，即使得s2和s4两个步骤所获得的侧面金电极是相同的，因此s4相当于是对s2获得的侧面金电极再镀膜一次，而由于侧面金电极的作用只在于连通正面金电极与反面金电极，因此其厚度并不影响使用。
48.可以理解的是，s2中获得的正面金电极即为所需的正面共面波导，s4中获得的反面金电极即为所需的反面共面波导，而s2和s4共同作用获得的侧面金电极即为所需的侧面共面波导，三者相互间电性连通，从而在金刚石表面上获得正反面连通的超薄共面波导。可以理解的是，实际应用中，正面金电极、反面金电极的样式可根据需要改变，对应地只需要对正面挡片2上的正面镂空槽以及反面挡片3上的反面镂空槽进行调整即可。
49.另外，为验证和测量上述经方法步骤制备的超薄共面波导的效果，本实施例还进行了如下实验：
50.1、电连通性测试
51.如图9所示，使用万用表测量得到超薄共面波导的正、负极间的直流电阻值为4.0ω，因此验证了经上述方法步骤制备的超薄共面波导能够实现正反面连通。
52.2、nv色心与样品间距测量
53.将金刚石的正面(nv色心位于距离金刚石的正面且深度约为100nm的位置)放置在解离铋锶钙氧铜样品的硅片上，使用卤钨灯光源配合y型光纤以金刚石正的金膜(正面金电极)为参考光谱测量了样品表面的反射光谱，结果如图10所示。通过分析反射光谱中的峰谷位置可以得到样品与nv色心间距离为4.0μm。
54.3、微波调控场强度测量
55.由于nv色心的拉比震荡频率与微波控制场的强度成正比，比例系数γ＝2.8mhz/gs，因此可以直接通过测量nv色心的拉比震荡频率评估微波调控场的强度大小。本实施例使用微波源配合激光系统测量了nv色心的拉比震荡频率，结果如图11所示，在1w的微波输入功率下，拉比震荡的频率为10mhz，对应磁场大小为3.6gs，已经能够满足nv色心磁探测实验的要求。
56.实施例二
57.一种具有超薄共面波导的金刚石，其基于实施例一公开的方法步骤制备获得。
58.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。