[논문 리뷰] Fast and accurate functionalization of opaque conductive samples with single nano particles

Niko Nikolay, Nikola Sadzak외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 원자력현미경(AFM)을 사용하여 비접촉 전기력 기반 방법으로, 질소빈약으로 도핑된 다이아몬드 나노결정과 같은 단일 나노입자를 투명하지 않은 도체 기판에 나노미터 해상도로 정밀하게 배치하는 기법을 제시한다. 전기력에 의해 유도된 장거리 쿠론 힘을 적용함으로써, 입자 손실의 위험 없이 표면 형태를 지ap을 통해 맵핑하고 정확한 위치를 확보할 수 있으며, 이는 은 bullseye 안테나에 나노미터 해상도로 배치하는 데 높은 재현성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 광학 분야에서 사용되는 투명하지 않은 도체 기판에 단일 나노입자를 신뢰성 있고 고정밀도로 위치시키는 방법을 개발하는 것.
• 투명한 기판에서 형광 피드백에 의존하는 전통적인 피크앤플레이스 AFM 기법의 한계를 극복하는 것.
• 투명한 플라스모닉 및 광학 구조물, 예를 들어 bullseye 안테나와 같은 곳에 단일 양자 발광체를 결정적으로 비접촉 방식으로 위치시키는 것.
• 진공 또는 전자빔 리터그래피 없이도 투명한 기판을 功能화할 때 하위 마이크론 정밀도와 나노미터 해상도를 달성하는 것.
• 단일 NV-도핑 다이아몬드 나노결정을 마이크론 크기의 은 bullseye 안테나 중심에 정확하게 이송하여 이 기법의 효과성을 입증하는 것.

제안 방법

• 이 기법은 단일 나노입자를 기능화한 AFM 터치를 사용하며, 터치와 도체 기판 사이에 전압을 인가하여 장거리 전기력 힘을 생성한다.
• 비접촉 모드에서 전기력 영상 측정을 수행하며, AFM 캔틸레버 진동의 위상 및 진폭 변화를 터치-표면 거리의 함수로 측정한다.
• 차분 위상 및 수직 변형 신호를 거리의 함수로 기록하고, 분석 모델(Eq. S6 및 S10)을 데이터에 적합시켜 거리 정보를 추출한다.
• 거리에 따라 변하는 위상 및 진폭 반응을 활용하여, 접촉을 피함으로써 큰 거리(>2 µm)에서 안전하게 기판 표면 형태를 맵핑한다.
• 캘리브레이션된 힘-거리 반응을 통해 표면에 접촉하지 않고도 정밀하고 반복 가능한 접근이 가능하다.
• 이 기법은 10 nm 크기의 질소빈약 중심을 포함한 단일 다이아몬드 나노결정을 PMMA 코ating이 된 은 bullseye 안테나에 나노미터 해상도로 정확하게 위치시키는 데 성공적으로 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기력 영상 기반으로 하위 마이크론 정밀도로 투명한 도체 기판의 비접촉 표면 형태 맵핑이 가능한가?
• RQ2 AFM 터치와 도체 기판 사이의 장거리 쿠론 상호작용을 이용하여 접촉 없이 안전하게 단일 나노입자를 접근 및 위치시킬 수 있는가?
• RQ3 이 기법을 사용하여 투명한 플라스모닉 구조물, 예를 들어 bullseye 안테나와 같은 곳에 단일 양자 발광체를 나노미터 해상도로 정밀하게 위치시킬 수 있는가?
• RQ4 적용된 AC 전압 하에서 AFM 캔틸레버의 위상 및 진폭 반응은 터치-표면 거리에 따라 어떻게 변화하는가? 그리고 이를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 이 기법을 사용하여 진공 또는 복잡한 리터그래피 없이도 사전 캘리브레이션된 단일 나노입자를 투명한 기판의 정의된 위치로 신뢰성 있게 이송할 수 있는가?

주요 결과

• 이 기법은 투명한 도체 기판에 단일 나노입자를 하위 마이크론 정밀도로 정밀하게 위치시킬 수 있으며, bullseye 안테나에 나노미터 해상도로 배치한 바가 있다.
• AC 전압 변조를 통한 전기력 영상 기반으로 최대 2 µm 거리까지 비접촉 표면 형태 맵핑이 가능하여 스캐닝 중 입자 손실을 방지할 수 있다.
• 차분 위상 및 수직 변형 반응은 Eqs. S6 및 S10을 사용하여 성공적으로 모델링되었으며, aφ, dφ, avdef, bvdef, cvdef, dvdef 등의 피팅 파라미터를 통해 정확한 거리 캘리브레이션을 가능하게 하였다.
• 위상 반응의 제2차 고조파 성분을 거리 측정의 강력한 지표로 사용하여 국소 물질 특성과 무관하게 작동함을 입증하였다.
• 이 기법은 마이크론 크기의 은 bullseye 안테나 중심에 단일 NV-도핑 다이아몬드 나노결정을 신뢰성 있고 결정적으로 위치시켰으며, 이는 양자 광학 장치에 적합함을 확인하였다.
• 이 기법은 진공 또는 전자빔 리터그래피 없이 작동하므로, 통합 양자 기술 분야에서 단순하고 비용 효율적이며 매우 높은 재현성을 지닌다.