Виток Диаманта: Выдающийся Применения для Действительно Малых Диамантов

Prof. Джеймс Rabeau

Адъюнкт-Профессор Джеймс Rabeau, Руководитель Группы, Материалы Кванта и Применения (QMApp); Собрат Австралийского Научно-исследовательского Совета Будущий, Отдел Физики, Университета Macquarie
Соответствуя автор: jrabeau@science.mq.edu.au

Диамант известен для своих весьма свойств, включая твердость, химическую и биологическую инерционность, высокую температуру Debye, высокую термальную проводимость и легкость био-functionalisation для того чтобы назвать несколько.

Над последними 10 летами, диамант как технологический материал видел возобновленный и увеличенный уровень интереса с неподдельным потенциалом. Ключевое требование включить некоторые из самых последних потенциальных применений для диаманта положится тяжело на способности контролировать и портняжничать изготовление, и понимает поведение диаманта nanoscale (некоторые более менее чем 5 nm в диаметре).

Для того чтобы сделать задачу более бросая вызов, и научно интересно, нет кристалла самого диаманта который основного интереса, но довольно «дефектов» включаемых в хозяина кристалла диаманта. Более обширное тело словесности доступное на внесении и выраженности примесей в диаманте1, и этих, большое количество названо «центры цвета» whereby они поглощают или испускают свет.

Путем интегрировать современные методы микроскопии и спектроскопии для одновременного расспрашивания предметов nanoscale, мы теперь имеем инструменты на нашем избавлении для того чтобы включить полномасштабную характеризацию оптически свойств материалов с драматически уменьшенной размерностью. Соединено с теоретическим моделированием nanoparticles, и рядом возмоности обработки материалов возможно предсказать, доработать и измерить поведение частиц nanoscale, namely nanodiamonds.

Разнообразие примеси в диаманте показывают посыл, включая отнесенные азот, никель, хромий и кремний. Фокус здесь на центре цвета азот-вакансии (NV) показанном наглядно в Диаграмме 1. Центр NV состоит из substitutional атома азота за вакансией углерода в решетке диаманта. Он фото-стабилизирован на комнатной температуре и имеет высокие оптически профиль и квантовый выход таким образом включая обнаружение фотонов от одиночной примеси2.

Диаграмма 1. Центр (NV) азот-вакансии в диаманте состоя из вакансии N-Атома и решетки в симметрии C3v. Этот «оптически активный» центр цвета поглощает свет Уф--Визави, и испускает в зону Визави-NIR электромагнитного спектра. Он имеет около эффективности суммы всеединства и идеально строительный блок для ряда суммы и биологических технологий.

3 обширных области в которой центры цвета в nanodiamond играют новую и значительно роль: Биомедицинские воображение, технологии Nanometrology и Кванта. Исследовательская группа Материалов и Применений Кванта (QMApp) на Университете Macquarie имеет проекты в пределах каждой из этих подрубрик underpinned сильным костяком изготовления и характеризации материалов который обеспечивает встроенную обратную связь для того чтобы оптимизировать nanodiamonds для специфических применений.

Измерять предметы на маштабе под обычными пределами (например ограничено дифракцией света, физическими размерами зонда или состоянием образца) критического интереса к понимать структуру и функцию всех биологических процессов. Как описанный ниже, nanodiamond держит место в этом поле для 2 причин: оно ярк флуоресцирует и свой оптически сигнал впечатлителен к зыбкост магнитного поля.

Диамант Biolabels

Процессы Воображения биологические используя дневные biolabels, прикрепленные например к молекуле интереса перемещая внутри сеть клеток, солидная технология, однако, для разнообразие причин, метод не достигал свою полную мощность. Обычные fluorophores часто моргают дальше и во время процесса воображения, или другого отбеливателя irreversibly таким образом ограничивая на времени и частоте на котором fluorophore можно наблюдать.

Furthermore, токсичность некоторых fluorophores представляет воображение в реальном маштабе времени-клетки невозможным. Nanodiamonds как перспективнейшая алтернатива для некоторых применений. Хотя некоторые существующие fluorophores главны к nanodiamond для некоторых вставок, кажется ясно что nanodiamonds заполнят нишу в био-воображении, где необходимы долгосрочное photostability, сопротивление к моргать или bleaching и non-цитотоксичность.

Большущий прогресс был сделан всемирным в превращаясь nanodiamonds как дневные biolabels, и неподдельный посыл3 . Одна ключевая возможность однако упаковать достаточные оптически активные дефекты в диамант который мал достаточно для того чтобы не помешать с биологическими процессами. Она поворачивает вне этот шаг настолько не прямодушна.

Под рядом условий изготовления, необходимо определить «яркость» как функция размера частицы и идеально начать предвестниковые рамки для делать яркие люминисцентные nanodiamonds некоторых размеров4. Для того чтобы получить вниз к идеально режиму под 5 nm, внимание поворачивало к вызванному материалу «nanodiamond детонации», которое имеет очень узкое распределение по размеру центризованное вокруг 4 nm.

Диаграмма 2. Confocal карта флуоресцирования NV центризует в nanocrystals диаманта (вышл) и соответствуя атомной карте микроскопии усилия профилей кристалла диаманта. Этот совмещенный метод измерения соединенный с теоретическим моделированием теперь включает прогноз стабилности центров NV в ряде размеров nanodiamond4.

Значительный объем работы на био-functionalisation5 уже была сделана, и теперь измерения флуоресцирования показывают что NV можно обнаружить в этих диамантах6. Цель в настоящее время оптимизировать материал для высокой концентрации NV.

Magnetometry Диаманта

Воспринимать слабые магнитные поля путем эксплуатировать magnetic-field чувствительный оптически переход центров цвета NV exciting новый бульвар для воображения основанного nanodiamond, и потенциально включит чувствительность воображения на уровне одиночных ядерных закруток. Simplistically, измерение сделано путем соединяя магниторезонансные методы с измерениями флуоресцирования для того чтобы обнаружить изменение местного магнитного поля около центра NV.

Практически, принципиальная схема включает просмотреть nanodiamond над магнитными полями (например магнитные домены или nanomagnets) и контролирует изменение в оптически сигнале как функция положения. Собирать соотвествующий сигнал после этого произвел бы изображение магнитного поля поверхности образца. Nanodiamond «зонд» может состоять из nanodiamond прикрепленного к атомной подсказке микроскопа усилия (см. Диаграмму 3).

Диаграмма 3. карта Флуоресцирования nanodiamonds склеенных к подсказке подсказки атомной микроскопии усилия консольной. Под правыми условиями, будет возможно просмотреть подсказку над поверхностью с магнитными доменами, магнитными nano-ярлыками или даже одиночным электроном или ядерными закрутками и отобразить положение и прочность полей.

Осуществимость и потенциал этого метода включить чувствительность к уровню одиночного электрона и ядерных закруток недавно были сообщены7. Эти pioneering эксперименты следовательно выделили практически ограничения наведенные размером и качеством диамантов доступных. Деиствительно чувствительность этого метода в большинстве ограничена разъединением между центром NV и образцом, и поэтому продиктована размером кристаллического хозяина. Эти результаты обеспечивают значительно мотивировку для того чтобы последовать более глубокое и более всестороннее вникание поведения центров NV в диамантах nanoscale4.

Технологии Кванта Диаманта

В вычислении или связи суммы, ключевой строительный блок термин бит суммы, или qubit. Qubits состоит из одиночной системы суммы 2 уровней в которой значение может быть 0, или 1 или суперпозиции между 2. Достаточно в контексте этой короткой статьи понять это упрощенное объяснение. Подуровни закрутки электрона в основном состоянии центра NV в диаманте поступают как система уровня идеала 2; положение закрутки (или значение qubit) могут быть 0, 1 или сочетание из 2. Furthermore, положение закрутки можно «прочитать вне» используя магниторезонансные и оптически сигналы как описано выше. Центр NV в диаманте таким образом модельная полупроводниковая система на которой построить технологические прочессы данным по суммы8, и там много групп всемирных следующ это.

Однако, возможность снабжать в расцвете приборы суммы в диаманте снова приходит вниз к материальному качеству и предварительным стратегиям изготовления. Она в принципе возможном для того чтобы снабдить, например, обработчик суммы малого масштаба в диаманте, тем ме менее затруднения наведенные из-за ограничений в материальном качестве поддерживают эту цель как раз из достигаемости.

Развьте в превращаясь методах для того чтобы включать центры цвета в диаманте, одиночные источники фотона в диаманте, и соединенные qubits в диаманте определят до какой степени диамант-основанные технологии суммы будут практически.


Справки

1. Zaitsev, A., Оптически свойства диаманта: руководство данных. (Спрингер, Берлин, 2001).
2. Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P., и Weinfurter, H., Физическое Просмотрение Помечают Буквами 85 (2), 290 (2000); Brouri, R., Beveratos, A., Poizat, P.J., и Grangier, P., Оптика Помечают Буквами 25 (1ъ), 1294 (2000).
3. Chang, Y. - R. et al., Nat Nano 3 (5), 284 (2008).
4. Bradac, C. et al., Nano Письма (2009).
5. Osawa, E., Чисто и Прикладная Химия 80 (7), 1365 (2008); Krüger, A. et al., Langmuir 24 (8), 4200 (2008).
6. Смит, R.B. et al., Малое 5 (14), 1649 (2009).
7. Balasubramanian, G. et al., Природа 455 (7213), 648 (2008); Лабиринт, R.J. et al., Природа 455 (7213), 644 (2008).
8. Gaebel, T. et al., Физика Природы 2 (6), 408 (2006); Stoneham, A.M., Harker, H.A., и Morley, W.G., Журнал Физик-Сконденсированного Дела 21 (36) (2009); Wrachtrup, J. и Jelezko, F., Журнал Физик-Сконденсированного Дела 18 (21), S807 (2006).

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Джеймс Rabeau (Университет Macquarie)

Date Added: Mar 4, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:51

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit