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科學家開發出合成鉆石新技術

  日本研究人員優化了實驗室生長的合成金剛石的設計。這使得該技術朝強化大腦磁成像等生物傳感應用更進一步。這種夾心型分層金剛石結構的優點在最新一期的美國物理聯合會(AIP)出版集團所屬《應用物理快報》上得以描述。

  化學過程被用于創建工業用途的大塊金剛石。人造鉆石可在各種表面上生長出來,以增加硬度并且減少工具磨損,或者利用金剛石的高導熱性作為電子器件的散熱器??茖W家可通過改變化學成分操控人造鉆石的性質。這種化學操作被稱為摻雜。事實證明,這些“摻雜”金剛石正成為從量子信息到生物傳感的一系列技術的廉價替代材料。否則,開發這些技術將極其昂貴。

  設有氮空位(NV)中心的金剛石能探測磁場變化,因此成為生物傳感技術的強大工具并被用于醫學檢測和疾病診斷。例如,腦磁圖(MEG)是一種用于描繪大腦活動并且追蹤諸如癲癇組織等病理異常的神經影像技術。

  “MEG實現了商業應用并被用在一些醫院中,但其價格非常昂貴,以至于并沒有很多MEG被使用?!鄙鲜稣撐淖髡咧籒orikazu Mizuochi表示。Mizuochi解釋說,利用帶有NV中心的金剛石可減少MEG診斷的儀器成本。

  不過,這些生物傳感技術需要誘導NV中心電荷轉換的光激化。由于不帶電的NV中心無法準確探測磁場,因此引入電荷轉換一直是金剛石利用面臨的挑戰?!爸挥胸撾姾赡鼙挥糜诖祟悅鞲袘?,因此實現NV中心的穩定化對于整個操作來說非常重要?!盡izuochi介紹說。

  研究人員此前將磷摻雜到一種簡單的金剛石結構中,從而使NV中心保持穩定。摻雜的磷推動超過90%的NV中心進入負電荷狀態,從而使磁場探測成為可能。不過,磷會將噪聲引入讀取結果,從而從陽性結果失效。

  在最新研究中,Mizuochi團隊調整了保持負NV中心穩定的金剛石設計策略,但移除了由磷誘導產生的噪音。他們利用了一種像三明治的多層結構,其中摻雜了磷的金剛石就像面包,并用10微米厚的NV中心填料圍起。這使得70%~80%的NV中心穩定在負電荷狀態,同時減少了系統中此前見到的噪音。(宗華)

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