研究小組用艾菲物理技術研究所合成的碳化硅芯片制作了的傳感器

    圖片來源：安德烈·阿尼西莫夫

    研(yan)究(jiu)(jiu)人員最近發(fa)現，材料需(xu)要經歷一個(ge)特定(ding)(ding)的(de)(de)(de)量子力學過(guo)程才能激發(fa)出(chu)(chu)一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)磁場(chang)強度(du)(du)，例如(ru)，材料利(li)(li)用電磁場(chang)控制自旋(xuan)態(tai)的(de)(de)(de)能力就與其溫(wen)度(du)(du)密切相(xiang)關。科學家在(zai)這個(ge)發(fa)現的(de)(de)(de)基礎上，通過(guo)測量這種效應發(fa)生時的(de)(de)(de)場(chang)強來(lai)確定(ding)(ding)樣品的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)。其精(jing)度(du)(du)很高，可(ke)以區別出(chu)(chu)每(mei)立方(fang)微米(mi)材料間(jian)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)差(cha)異。溫(wen)度(du)(du)測量和傳感在(zai)大多數工(gong)業、電子和化學反應過(guo)程中都是必需(xu)的(de)(de)(de)，更高的(de)(de)(de)空間(jian)分辨(bian)率有利(li)(li)于滿足商業和科學的(de)(de)(de)需(xu)求。該(gai)團隊在(zai)AIP出(chu)(chu)版(ban)(ban)出(chu)(chu)版(ban)(ban)的(de)(de)(de)AIP Advances上發(fa)表(biao)了他們的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)成果(guo)。

    氮原(yuan)子(zi)可以(yi)取代鉆石中(zhong)的碳原(yuan)子(zi)；當(dang)這種(zhong)替換發(fa)生(sheng)(sheng)在晶格空(kong)(kong)位(wei)(wei)旁邊的時(shi)候，就會產(chan)生(sheng)(sheng)一些(xie)可以(yi)利用的量(liang)子(zi)特性(xing)。這些(xie)空(kong)(kong)位(wei)(wei)可能儲存有負(fu)電荷(he)(he)或中(zhong)性(xing)電荷(he)(he)。帶負(fu)電荷(he)(he)的空(kong)(kong)位(wei)(wei)中(zhong)心也是光致(zhi)發(fa)光中(zhong)心，當(dang)暴露于(yu)某些(xie)波長的光線中(zhong)的時(shi)候會產(chan)生(sheng)(sheng)可被探測(ce)的發(fa)光。研究人員可以(yi)利用磁(ci)場(chang)來(lai)操縱空(kong)(kong)位(wei)(wei)中(zhong)電子(zi)的自(zi)旋，從而改變光致(zhi)發(fa)光的強(qiang)度。

    一個由俄羅斯和德國研究人員組成的研究小組發明了一種能夠測量溫度和磁場且具有常高分辨率的系統。科學家們生產出的碳化硅晶體具有的空位類似于金剛石中的氮(dan)空位中心。他們(men)將碳(tan)化(hua)硅暴(bao)露在(zai)恒(heng)定磁場環境中，然后用紅(hong)外激光(guang)照射(she)，并記(ji)錄了碳(tan)化(hua)硅產(chan)生(sheng)的光(guang)致(zhi)發光(guang)強度(du)。

    更強的磁場使這些空位中的電子更容易在自旋態之間轉換。在特定場強下，自旋為3/2的電子經歷一種被稱為反交錯的過程后比例迅速變化。光致發光的強度取決于各種自旋態的電子所占的比例，因此研究者可以通過監測亮度變化來測量磁場的強度。

    此(ci)外，當這(zhe)些(xie)空位中的電子發(fa)生交叉弛豫時，發(fa)光強(qiang)度(du)(du)會突然(ran)發(fa)生變化。在這(zhe)個過程中，一個量子系統與另(ling)一個系統共享基態能(neng)量，兩(liang)者都處于中間(jian)態。誘導交叉弛豫所(suo)需的場(chang)(chang)強(qiang)與材料(liao)的溫(wen)度(du)(du)直接相關。科學家通過改變磁場(chang)(chang)強(qiang)度(du)(du)，記錄發(fa)光強(qiang)度(du)(du)突然(ran)變化時的場(chang)(chang)強(qiang)，據此(ci)可以計算(suan)出所(suo)研(yan)究(jiu)晶(jing)體區(qu)域的溫(wen)度(du)(du)。研(yan)究(jiu)小組意外地發(fa)現，這(zhe)種量子效應即使在室溫(wen)下仍(reng)然(ran)存在。

    這篇論文的作者之一、俄羅斯科學院艾菲物理技術研究所（Ioffe Physical-Technical Institute ）的安德烈·阿尼西莫夫（Andrey Anisimov）說：“這項研究成果讓我們可以在同一個設備中制作溫度傳感器和磁場傳感器。此外，傳感器可縮小至100納米，這將促進其在空間工業、地球物理觀測甚至生物系統領域的應用。碳化硅與金剛石相比更是一種普遍的半導體材料(liao)，碳(tan)化(hua)硅已經成為制作二(er)極(ji)管和(he)晶(jing)體管的材料(liao)之(zhi)一。