高压下基于金刚石NV色心的二维矢量电流成像及测量方法

本发明涉及电流传感，具体涉及高压下基于金刚石nv色心的二维矢量电流成像及测量方法。

背景技术：

1、压力是一个重要的热力学参数，在高压下许多物质表现出丰富的物理性质，例如，复杂相图、各种磁现象、高tc超导体等。此外，在高压下的二维材料和器件表现出丰富的物理现象和电子行为变化，如量子反常霍尔效应(qahe)、二次狄拉克点的产生和由于莫尔超晶格而导致的带隙开口等。无论是高压超导电性的测量还是二维材料电学性质的研究，电阻率输运测量一直是研究电学性质的有力工具。然而，传统的电阻率测量忽略了关键的空间信息，包括边缘效应、杂质和缺陷等。更为糟糕的是，在极端条件下样品很容易损坏，导致“短路”或“开路”故障，而电阻率测量方法很难准确有效地定位和检测相应的微尺度缺陷或损伤，这使得实验技术难以改进。因此，有必要实现高压下微观电流分布的直接可视化。

2、nv色心是金刚石中的一个点缺陷，可以对磁场实现纳米级的精密量子测量，具有很高的测量精度和空间分辨率。利用金刚石中的nv中心作为磁强计，可以实现对微观电流产生的磁场的精密测量，通过反演毕奥萨伐尔定律，就可以实现电流的间接式测量，同时具有很高的测量精度和灵敏度。

3、中国专利cn 113960345 a、cn 111504884 a均是针对宏观上的电流探测，只能得到电流的大小值，对于微观电流及其空间上的分布则无法实现。中国专利cn 111504884 a提供的微观电阻抗成像装置很难与金刚石对顶砧装置结合，无法实现高压等极端条件下的微观电流成像。为了克服现有技术的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供高压下基于金刚石nv色心的二维矢量电流成像及测量方法，解决以下技术问题：

2、现有的电流探测技术，难以实现高压条件下二维矢量电流的无创、高分辨率测量及成像，也难以保证电流探测的精确性。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、高压下基于金刚石nv色心的二维矢量电流成像及测量方法，包括以下步骤：

5、s1、激光与微波信号作用于含有nv色心的金刚石，向二维石墨烯中依次通入正向和反向电流，分别采集施加正向和反向电流时nv色心的荧光信号；

6、s2、通过采集荧光信号得到电流产生的磁场在四个色心轴的分布，对施加正向和反向电流测得的磁场进行归一化处理，消去背景磁场，得到仅由注入石墨烯电流产生的磁场分布；

7、s3、建立金刚石晶格坐标系与实验室坐标系，得到坐标转换关系；通过仅由注入石墨烯电流产生的磁场分布与坐标转换关系，得到电流产生的磁场在实验室坐标系三个坐标轴方向的分布；

8、s4、在傅里叶空间中，实验室坐标系三个坐标轴方向的磁场分布通过反演毕奥萨伐尔定律，得到傅里叶空间中二维电流分布；通过傅里叶反变换，得到真实空间中二维矢量电流分布和总电流密度分布。

9、作为本发明进一步的方案：所述步骤s1通过金刚石nv色心的磁成像装置进行；

10、所述金刚石nv色心的磁成像装置包括：

11、激光光路模块，用于产生激光，并将激光投射到采集光路上，使得激光作用于nv色心使其产生荧光，并采集nv色心荧光信号；

12、金刚石对顶砧装置，用于使样品腔产生高压环境；

13、微波模块：用于产生微波信号并通过微波线作用于nv色心；

14、电脑，用于连接激光光路模块，获取nv色心荧光信号，处理nv色心荧光信号得到磁场信息和电流分布图像。

15、作为本发明进一步的方案：所述金刚石对顶砧装置包括：

16、上压砧和下压砧，所述上压砧和下压砧为两颗尖端相对的金刚石，所述上压砧和下压砧的尖端均具有平台砧面，其中，上压砧的平台砧面为上金刚石砧面；

17、无磁垫片，所述无磁垫片的中部设置有样品腔；

18、微波线圈，所述微波线圈位于上金刚石砧面的周围，

19、nv色心层，所述nv色心层位于上压砧的内部，所述nv色心层位于上金刚石砧面的一侧。

20、作为本发明进一步的方案：所述金刚石对顶砧装置的无磁垫片的样品腔内部设置有二维石墨烯样品，所述二维石墨烯样品贴合于上金刚石砧面的表面。

21、作为本发明进一步的方案：所述激光光路模块包括：

22、scmos相机，用于在采集光路上采集nv色心层发出的荧光信号，所述scmos相机位于上压砧的一侧；

23、激光发射器，用于产生并向采集光路发射激光；

24、反射镜，用于反射激光发射器发出的激光，并将激光发射器发出的激光反射至nv色心层处；所述反射镜位于采集光路上；

25、磁铁，用于对nv色心层施加外加磁场。

26、作为本发明进一步的方案：所述步骤s1包括以下步骤：

27、s101：向二维石墨烯样品通入正电流，

28、s102：通过磁铁对nv色心层施加外加磁场；激光发射器产生激光通过反射镜后作用于nv色心层，使nv色心层产生荧光；

29、s103：微波模块产生微波信号通过微波线传输到微波线圈，并通过微波线圈发射微波信号作用于nv色心层；

30、s104：nv色心层的荧光信号通过scmos相机进行采集，并通过电脑记录测得的数据，此数据包含了电流产生的磁场信息；

31、s105：向二维石墨烯样品通入负电流，重复s102至s104步骤。

32、作为本发明进一步的方案：所述步骤s2包括以下步骤：

33、s201：通过采集的荧光信号，得到odmr谱，用洛伦兹函数拟合odmr谱，得到8个共振频率(fi±)i＝1to4；

34、s202：通过每个nv色心中心轴的磁场投影与odmr谱中塞曼分裂引起的对应两个共振频率之差成正比，得到如下公式：

35、

36、其中，γe≈28mhz/mt为电子旋磁比，i∈{1,2,3,4}，bnv,i表示在金刚石晶格中建立的坐标系下，电流产生的磁场在四个nv色心方向的分布；

37、s203：对施加正、负电流测得的磁场进行归一化处理，消去外加磁场从而得到仅由注入石墨烯电流产生的磁场分布；归一化处理通过如下公式进行：

38、δbnv,i＝[bnv,i(+i)-bnv,i(-i)]/2

39、其中，i∈{1,2,3,4}，bnv,i(+i)表示施加正电流测得的磁场，bnv,i(-i)施加负电流测得的磁场，δbnv,i(+i)表示进行归一化处理后的在金刚石晶格中建立的坐标系下，电流产生的磁场在四个nv色心方向的分布。

40、作为本发明进一步的方案：所述步骤s3包括以下步骤：

41、s301：建立金刚石晶格坐标系与实验室坐标系；在金刚石晶格坐标系中，电流产生的磁场在四个nv色心方向的分布为bi，其中，i∈{1,2,3,4}，bi＝δbnv,i；电流产生的磁场在金刚石晶格中建立坐标系下的分布为(bα,bβ,bγ)，(bα,bβ,bγ)与bi有如下对应关系：

42、

43、

44、

45、s302：金刚石晶格坐标系为(α,β,γ)，实验室坐标系为(x,y,z)，通过测试得到金刚石晶格坐标系与实验室坐标系的坐标转换关系为(x,y,z)＝(β,γ,-α)；

46、s303：通过坐标转换关系，得到电流产生的磁场在实验室坐标系下的三个坐标轴方向的分布(bx,by,bz)。

47、作为本发明进一步的方案：所述步骤s4包括以下步骤：

48、在傅里叶空间中，实验室坐标系三个坐标轴方向的磁场分布通过反演毕奥萨伐尔定律，得到傅里叶空间中二维电流分布；通过傅里叶反变换，得到真实空间中二维矢量电流分布和总电流密度分布

49、s401：根据电流产生的磁场在实验室坐标系下的三个坐标轴方向的分布，通过毕奥萨伐尔定律,在傅里叶空间中，反演出傅里叶空间中的二维矢量电流分布；

50、s402：通过傅里叶空间中的二维矢量电流分布进行傅里叶反变换，得到真实空间中二维矢量电流分布(jx,jy)和总电流密度分布j。

51、作为本发明进一步的方案：所述步骤s401中，通过毕奥萨伐尔定律，在傅里叶空间中，反演出傅里叶空间中的二维矢量电流分布，包括以下步骤：

52、s4011：将电流产生的磁场在实验室坐标系下的三个坐标轴方向的分布(bx,by,bz)转化为傅里叶空间中电流产生的磁场在实验室坐标系下三个坐标轴方向的分布(bx,by,bz)；

53、s4012：根据毕奥萨伐尔定律，(bx,by,bz)与傅里叶空间中的实验室坐标系x和y方向上的电流的关系为：

54、

55、其中，(bx,by,bz)为傅里叶空间中电流产生的磁场在实验室坐标系下三个坐标轴方向的分布，(jx,jy)为傅里叶空间中的实验室坐标系x轴和y轴方向上的电流分布，z'＝30nm为石墨烯到nv色心层的距离，μ0为真空磁导率；

56、s4013：求得傅里叶空间中的实验室坐标系x轴和y轴方向上的电流分布(jx,jy)。

57、本发明的有益效果：

58、本发明通过电流的磁效应，将电流测量转换为磁场测量，分别通入正、负电流进行测量以归一化平均消去背景磁场；提供基于毕奥萨伐尔定律的算法实现二维矢量电流的空间分布成像。通过金刚石晶格坐标系与实验室坐标系的坐标转换关系；以及在傅里叶空间中，实验室坐标系三个坐标轴方向的磁场分布通过反演毕奥萨伐尔定律，得到傅里叶空间中二维电流分布；通过傅里叶反变换，得到真实空间中二维矢量电流分布和总电流密度分布，在高压极端条件下实现微观结构中二维电流的测量及成像。