發(fā)布時間：2021-03-23 07:00

　　基于金剛石氮空位（NV）色心的磁強計,其磁場檢測的靈敏度與光探測磁共振（ODMR）的解調(diào)曲線最大斜率的倒數(shù)呈正比,而解調(diào)曲線的斜率主要取決于系統(tǒng)的微波調(diào)制參數(shù)。對磁強計的靈敏度與微波調(diào)制幅值和調(diào)制相位之間的關(guān)系進行了研究。首先介紹了金剛石NV色心的能級結(jié)構(gòu),根據(jù)其磁檢測原理,采用基于微波頻率調(diào)制解調(diào)的ODMR技術(shù)來檢測外部微弱磁場。然后介紹了微波調(diào)制參數(shù)優(yōu)化機理模型。最后對NV色心磁強計系統(tǒng)的微波調(diào)制幅值和調(diào)制相位進行了測試。測試結(jié)果表明,當(dāng)調(diào)制幅值為5.55 V、調(diào)制相位為85°或258°時,解調(diào)曲線的斜率為5.1 V/MHz,相比于未優(yōu)化前（1.1 V/MHz）提高了約4.6倍。散粒噪聲限制的磁強計的靈敏度約為0.9 nT/Hz^1/2(未優(yōu)化前約為4.0 nT/Hz^1/2,理論計算結(jié)果約為0.3 nT/Hz^1/2)。 

【文章來源】：微納電子技術(shù). 2020,57(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

金剛石NV色心的能級結(jié)構(gòu)和實驗樣品及C3V對稱結(jié)構(gòu)

實驗裝置原理圖如圖2所示，磁強計主要使用了調(diào)制解調(diào)技術(shù)和基于微波頻率的比例積分微分控制器（PID）閉環(huán)鎖定技術(shù)。微波源（型號為KEYSIGHT MXG Analog Signal Generator N5183B，頻率為9 kHz～40 GHz）產(chǎn)生頻率為fLO的微波信號，該微波信號的功率為7 dBm，用2 MHz的調(diào)制深度和最優(yōu)的調(diào)制頻率fref≈18 kHz[16]的正弦調(diào)制信號Sref調(diào)制微波信號，調(diào)制后的微波信號頻率為fmod，并將調(diào)制后的微波信號傳輸?shù)娇拷饎偸沫h(huán)形微波天線。圖2中Mout為外界施加的微弱磁場的磁感應(yīng)強度，Scw為ODMR信號，SLI為解調(diào)信號。在沿NV軸施加約3 mT偏置磁場的同時，用波長532 nm、功率為50 mW的激光器（型號為CL532-100-SO）發(fā)出的綠色激光激發(fā)金剛石。在微波、磁場和激光的共同作用下，金剛石NV色心將發(fā)出紅色熒光。當(dāng)使用光電探測器（PD，型號為Thorlabs公司生產(chǎn)，型號為PDA100A-EC）檢測紅色熒光時，首先需要使用濾光片將波長532 nm的綠光濾除，然后使用聚光鏡組匯聚波長638～800 nm的紅色熒光。

按照圖2所示的實驗裝置原理框圖搭建實驗平臺進行實驗。沿著NV軸（實驗中對應(yīng)于金剛石的〈111〉晶向）施加約3 mT的偏置磁場，此時將有兩對ODMR峰，測量所得的ODMR信號Scw曲線及其解調(diào)信號SLI曲線信號如圖3所示，其中紅色的ODMR曲線經(jīng)過歸一化處理，方便得出ODMR信號的對比度（C=≈6.65%，ΔV為Scw的最大電壓值Vmax與最小電壓值差值Vmin的絕對值）。本文使用諧振頻率為2.717 GHz的ODMR譜進行傳感，該譜線的對比度約為6.65%、半高全寬約為16.5 MHz，未優(yōu)化前解調(diào)曲線的斜率為1.1 V/MHz。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于金剛石NV色心磁傳感器微波調(diào)制頻率優(yōu)化的高靈敏度磁傳感方法[J]. 張衛(wèi)東,鄧勝禮,郭浩,唐軍.  微納電子技術(shù). 2020(03)
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[3]金剛石NV色心磁力計極限靈敏度優(yōu)化方法[J]. 趙銳,趙彬彬,王磊,郭浩,唐軍,劉俊.  微納電子技術(shù). 2018(09)
[4]Optimizing ultrasensitive single electron magnetometer based on nitrogen-vacancy center in diamond[J]. WANG PengFei,JU ChenYong,SHI FaZhan,DU JiangFeng.  Chinese Science Bulletin. 2013(24)



本文編號：3095371