[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种基于非接触静电力的新型方法，利用原子力显微镜（AFM）实现对单个纳米颗粒（如氮空位掺杂的金刚石纳米晶体）在不透明导电基底上的亚微米级高精度定位。通过施加电压以产生长程库仑力，该技术可在不造成颗粒损失的情况下实现表面形貌测绘与精确对位，成功在银靶心天线结构上实现了纳米级分辨率的定位，且具有高度可重复性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可靠、高精度的方法，用于在量子光子学应用的不透明导电基底上定位单个纳米颗粒。
• 克服传统AFM点对点操作技术依赖透明基底荧光反馈的局限性。
• 实现在不透明等离子体与光子结构（如靶心天线）上单个量子发射器的确定性、非接触式定位。
• 在无需真空或电子束光刻的条件下，实现对不透明基底的功能化处理，达到亚微米级精度与纳米级分辨率。
• 通过将单个NV掺杂金刚石纳米晶体成功转移至微米级银靶心天线中心，验证该方法的有效性。

提出的方法

• 该方法使用表面修饰有单个纳米颗粒的AFM探针，并在探针与导电基底之间施加电压，以产生长程静电作用力。
• 在非接触模式下进行静电场成像，测量AFM悬臂振荡的相位与振幅偏移随探针-样品距离的变化。
• 记录差分相位与垂直偏转信号随距离的变化，并利用解析模型（公式S6与S10）对数据进行拟合，以提取距离信息。
• 利用距离相关的相位与振幅响应，可在较大距离（>2 µm）下安全地映射基底表面形貌，避免接触，从而防止颗粒损失。
• 经过校准的力-距离响应使能够在不接触表面的情况下实现精确、迭代逼近目标位置。
• 通过将一个含有氮空位中心的10 nm金刚石纳米晶体，以纳米级分辨率定位在PMMA涂层的银靶心天线上的实验，验证了该技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 静电场成像能否实现对不透明导电基底的亚微米级精度、非接触式表面形貌测绘？
• RQ2 AFM探针与导电基底之间的长程库仑相互作用是否可用于在不接触的情况下安全接近并定位单个纳米颗粒？
• RQ3 能否利用该方法在不透明等离子体结构（如靶心天线）上实现单个量子发射器的纳米级分辨率定位？
• RQ4 在施加交流电压条件下，AFM悬臂的相位与振幅响应如何随探针-样品距离变化？该行为能否被准确建模？
• RQ5 该方法是否可用于可靠地将预先表征的单个纳米颗粒转移至不透明基底上的预定位置，且无需真空环境或复杂光刻工艺？

主要发现

• 该方法实现了在不透明导电基底上对单个纳米颗粒的亚微米级精度定位，已在靶心天线结构上实现纳米级分辨率的定位。
• 通过交流电压调制的静电场成像，可在高达2 µm的距离下实现非接触式表面形貌测绘，避免了扫描过程中的颗粒损失。
• 差分相位与垂直偏转响应成功通过公式S6与S10建模，拟合参数包括aφ、dφ、avdef、bvdef、cvdef、dvdef，实现了精确的距离校准。
• 相位响应的二次谐波成分被用作对局部材料性质不敏感的鲁棒距离探测信号。
• 该技术成功实现了将单个NV掺杂金刚石纳米晶体可靠、确定性地定位在微米级银靶心天线中心，证实其在量子光子器件中的适用性。
• 该方法无需真空或电子束光刻，具有操作简便、成本低、高度可重复的优点，适用于集成量子技术。