[論文レビュー] Fast and accurate functionalization of opaque conductive samples with single nano particles

Niko Nikolay, Nikola Sadzak+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 22被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、静電力に基づく非接触手法により、窒素・バケーション欠陥を有するダイヤモンドナノクリスタルなどの単一ナノ粒子を不透明な導電性基板上にサブミクロン精度で配置する方法を提示する。電圧を印加して長距離のクーロン力を利用することで、粒子損失のリスクを回避しつつ、表面形状のマッピングと正確な位置決めが可能となり、銀のボーリングアントenna上にナノメートル分解能で配置する高再現性の高い手法を実現した。

ABSTRACT

Single quantum emitters coupled to different plasmonic and photonic structures are key elements for integrated quantum technologies. In order to fully exploit these elements, e.g. for quantum enhanced sensors or quantum repeaters, a reliable fabrication method as enabling technology is crucial. In this work, we present a method that allows for positioning of individual nano crystals containing single quantum light sources on non-transparent conductive samples with sub-micrometer precision. We induce long-range electrostatic forces between an atomic force microscope (AFM) tip, which carries a nano particle, and the target surface. This allows for mapping of the target area in non contact mode. Then, the placement site can be identified with high accuracy without any tip approach, eliminating the risk of a particle loss. We demonstrate the strength of the method by transferring a diamond nano crystal containing a single nitrogen-vacancy defect to the center of a micrometer-sized silver bullseye antenna with nanometer resolution. Our approach provides a simple and reliable assembling technology for positioning single nano objects on opaque substrates with high reproducibility and precision.

研究の動機と目的

• 量子フォトンイクス分野で用いられる不透明な導電性基板上に、信頼性が高く高精度な単一ナノ粒子の配置手法を開発すること。
• 透明基板を用いる従来のピックアンドプレースAFM技術が、蛍光フィードバックに依存するという制限を克服すること。
• ボーリングアントennaなどの不透明なプラズモニックおよびフォトニクス構造上に、決定的かつ非接触で単一量子発光体を配置できること。
• 真空中や電子ビームリソグラフィーを必要とせず、不透明基板に機能化を施す際のサブミクロン精度とナノメートル分解能を達成すること。
• マイクロメートルサイズの銀ボーリングアントニアの中心に、1個のNV欠陥を有するダイヤモンドナノクリスタルを正確に転写することで、本手法の有効性を実証すること。

提案手法

• 本手法は、単一ナノ粒子で機能化されたAFMプローブを用い、プローブと導電性基板の間に電圧を印けて長距離の静電力を作り出す。
• 非接触モードで静電力イメージングを実施し、プローブと試料間の距離関数として、AFMカンチレバーの振動における位相および振幅のずれを測定する。
• 距離関数としての微分位相および垂直変位信号を距離関数として記録し、解析的モデル（式S6およびS10）をデータにフィットさせて距離情報を抽出する。
• 距離依存の位相および振幅応答を用いて、接触を避けるために大径（>2 µm）からの安全な基板表面形状マッピングが可能となる。
• キャリブレーションされた力-距離応答により、表面に触れることなく、繰り返しのアプローチが正確に可能となる。
• 本手法は、PMMAコーティングされた銀ボーリングアントニア上に10 nmのダイヤモンドナノクリスタル（NV中心を有する）をナノメートル分解能で配置することで、実証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静電力イメージングは、サブミクロン精度で不透明な導電性基板の非接触表面形状マッピングを可能にするか？
• RQ2 AFMプローブと導電性基板間の長距離クーロン相互作用を用いて、接触を避けながら安全に単一ナノ粒子を接近・配置できるか？
• RQ3 本手法を用いて、ボーリングアントニアのような不透明なプラズモニック構造上に、ナノメートル分解能で単一量子発光体を配置できるか？
• RQ4 印加されたAC電圧下で、AFMカンチレバーの位相および振幅応答はプローブ-試料距離にどのように依存するか？また、これを正確にモデル化できるか？
• RQ5 本手法を用いて、真空中や複雑なリソグラフィーを必要とせず、事前に特性評価された単一ナノ粒子を不透明基板上の所定位置に信頼性高く転写できるか？

主な発見

• 本手法により、不透明な導電性基板上にサブミクロン精度で単一ナノ粒子を配置可能であり、ボーリングアントニア上にナノメートル分解能で配置を実証した。
• AC電圧変調による静電力イメージングにより、最大2 µmまでの非接触表面形状マッピングが可能となり、スキャン中の粒子損失を回避した。
• 微分位相および垂直変位応答は、式S6およびS10を用いて良好にモデル化され、距離キャリブレーションに寄与するフィッティングパラメータaφ, dφ, avdef, bvdef, cvdef, dvdefが得られた。
• 位相応答の2次高調波成分が、局所的な材料特性に依存しない強固な距離プローブとして用いられ、有効であった。
• 本手法により、マイクロメートルサイズの銀ボーリングアントニアの中心に、1個のNV欠陥を有するダイヤモンドナノクリスタルを信頼性高く、決定的に配置できた。これは、量子フォトンイクスデバイスへの適性を裏付けた。
• 本手法は真空中や電子ビームリソグラフィーを必要とせず、統合量子技術分野において単純でコスト効果が高く、極めて再現性の高い手法である。