作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/4/2 12:33:40
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科学家开发出金刚石合成新策略

 

日本研究人员优化了实验室生长的合成金刚石的设计。这使得该技术朝强化大脑磁成像等生物传感应用更进一步。这种夹心型分层金刚石结构的优点在最新一期的美国物理联合会(AIP)出版集团所属《应用物理快报》上得以描述。

化学过程被用于创建工业用途的大块金刚石。人造金刚石可在各种表面上生长出来,以增加硬度并且减少工具磨损,或者利用金刚石的高导热性作为电子器件的散热器。科学家可通过改变化学成分操控人造金刚石的性质。这种化学操作被称为掺杂。事实证明,这些“掺杂”金刚石正成为从量子信息到生物传感的一系列技术的廉价替代材料。否则,开发这些技术将极其昂贵。

设有氮—空位(NV)中心的金刚石能探测磁场变化,因此成为生物传感技术的强大工具并被用于医学检测和疾病诊断。例如,脑磁图(MEG)是一种用于描绘大脑活动并且追踪诸如癫痫组织等病理异常的神经影像技术。

“MEG实现了商业应用并被用在一些医院中,但其价格非常昂贵,以至于并没有很多MEG被使用。”上述论文作者之一Norikazu Mizuochi表示。Mizuochi解释说,利用带有NV中心的金刚石可减少MEG诊断的仪器成本。

不过,这些生物传感技术需要诱导NV中心电荷转换的光激化。由于不带电的NV中心无法准确探测磁场,因此引入电荷转换一直是金刚石利用面临的挑战。“只有负电荷能被用于此类传感应用,因此实现NV中心的稳定化对于整个操作来说非常重要。”Mizuochi介绍说。

研究人员此前将磷掺杂到一种简单的金刚石结构中,从而使NV中心保持稳定。掺杂的磷推动超过90%的NV中心进入负电荷状态,从而使磁场探测成为可能。不过,磷会将噪声引入读取结果,从而从阳性结果失效。

在最新研究中,Mizuochi团队调整了保持负NV中心稳定的金刚石设计策略,但移除了由磷诱导产生的噪音。他们利用了一种像三明治的多层结构,其中掺杂了磷的金刚石就像面包,并用10微米厚的NV中心填料围起。这使得70%~80%的NV中心稳定在负电荷状态,同时减少了系统中此前见到的噪音。(宗华)

 
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