[发明专利]集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计及制作工艺

说明书

本发明属于固态原子磁强计领域和微纳加工制造领域，特别是公开了一种集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计及其制作工艺，本发明将制备有NV色心系综的块状金刚石片进行磨边整形得到梯台状金刚石，随后通过薄膜生长工艺在金刚石上表面制备出多层介质组合的反射膜，并且在底部制备多层介质组合的截止滤波膜，两种光学功能膜包裹金刚石介质形成一个陷光结构，最后，在这个金刚石为主体的陷光结构上制备出环形微波天线，开凿通光孔，微组装激光二极管和光电二极管，实现集成的NV磁强计，本发明开创性的以金刚石为核心集成设计总体陷光腔结构和系统调制光子收集各功能部件，能够最大化提高固态原子磁强计灵敏度和减小器件体积。

技术领域

本发明属于固态原子磁强计领域和微纳加工制造领域，特别是涉及一种集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计及其制作工艺。

背景技术

磁检测技术作为主要物理量探测在科学研究、工程技术应用，以及生物医疗等领域有着巨大的研究价值。在众多磁检测技术中金刚石固态磁检测技术具有精度高、响应时间快、可兼容集成拓展应用等优势。

金刚石固态磁强计主要通过微波调制NV色心能级跃迁辐射出的荧光信号实现对周围磁场信息的检测。金刚石中的NV色心是通过在人造金刚石中注入一定浓度的N取代的原金刚石中C，并且在相邻晶格存在一个空位(Vacancy)，形成一个氮-空位(N-V)结构。N比C多出一个电子，因此形成的NV结构便多出一个易于操控的电子，受波长532nm绿激光激发后会发出荧光，在频率2.87GHz微波调制下辐射出的荧光谱显示出电子自旋共振(ESR)。当处于不同磁场环境中，ESR谱中塞曼分裂程度对应了不同大小及方向的磁信息。利用这一原理搭建一个光激发检测磁共振(ODMR)信息的多物理场系统可以检测到微弱磁信号。

在2005年，加州大学SantaBarbara分校R.J.EPSTEIN首次验证了NV色心随磁场变化敏感特性。随后的研究也定量得出对于磁灵敏度的提高更NV色心荧光收集效率和微波调制效率等一系列相关参数密切相关。采用微纳加工集成技术实现微波部件与激光部件集成于金刚石一体可以减小各种中间传输损耗。同时，由于需要激光与微波信号共同作用调制出所检测的磁信号，通常系统体积较大。只有当磁检测敏感部件足够小，且集成封装到一个较小尺寸范围内才具备更为广阔的商业用途。在此，我们提出本发明所述的集成ODMR各功能部件于金刚石上的NV色心磁强计方案，以实现器件小型化与高性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术不足，解决了现阶段磁强计体积大、集成度低的问题，提供一种集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计及其制作工艺，本发明在金刚石基底上运用微纳加工技术与微组装技术实现NV色心的高效激发、全荧光收集和高效微波调制的ODMR系统，并将其应用到微弱磁信号的收集的高精度探测，整个系统的集成度高。

为解决上述技术问题，本发明保护的一个技术方案为：集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计，包括：

一个陷光结构，其上表面开设通光孔；

设置在陷光结构上表面的环形微波天线，微波天线外接微波信号；

通光孔处的陷光结构上微组装有激光二极管，用于发出激发光源；

紧贴在陷光结构底部的光电二极管，其负责收集经滤波后陷光结构发出的荧光。

进一步地，所述陷光结构的主体为含有NV色心系综的块状金刚石，金刚石的底面包覆有截止滤波膜，金刚石的上表面包覆有反射膜。

进一步地，所述金刚石的整体结构为梯台型。

进一步地，所述反射膜采用DBR全反射膜。

进一步地，所述激光二极管为绿激光二极管，其产生波长为532nm的激光。

本发明保护的另一个技术方案为：集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计的制作工艺，按照以下步骤进行：