Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка квантовых сенсоров на основе карбида кремния и создание диагностического приборного комплекса для сканирующей магнитометрии и термометрии

Докладчик: Солтамов Виктор Андреевич

Должность: научный сотрудник, ответственный исполнитель работ по проекту N 14.604.21.0083

Цель проекта:
Магистральным направлением развития современных технологий является миниатюризация элементной базы микро- и оптоэлектроники, спинтроники. Господствующим технологическим сценарием является уменьшение числа электронов, необходимых для работы транзистора, вплоть до одного электрона к следующему десятилетию. Любой прибор с наноразмерными характеристиками неизбежно будет проявлять элементы квантового поведения. Назревает необходимость научиться использовать квантовые эффекты в качественно новых технологиях, поскольку квантовая наука, несомненно, изменит технологии 21 века. Спин является чисто квантовомеханическим объектом, и спиновые явления начинают играть решающую роль при разработке различных приборов и устройств на основе наноразмерных структур. Использование фундаментальных квантово-механических свойств спиновых объектов в кристаллических матрицах для реализации на них сверхчувствительных сенсоров [Philip Hemmer, Toward Molecular-Scale MRI, Science, vol. 339, pp. 529-530 (2013)] лежит в основе сенсорики. В частности, детектирование изменений магнитных и электрических полей со сверхвысоким, вплоть до нескольких нанометров, пространственным разрешением, или локальный субмикронный пространственный контроль температуры. Использование парамагнитных дефектов в качестве сенсоров позволит исследовать вещества в экстремально малых объемах, что является принципиально важным для многих областей применений, таких как медицинская химия, структурная биология, онкология, молекулярные методы визуализации. На данный момент остро стоит вопрос о расширении элементной базы сенсорики. Необходимости использования криогенных температур, неудобных оптических и микроволновых диапазонов существенно сужают круг возможных применений одиночный дефектов для создания приборов и устройств на их основе. Таким образом, задача, на решение которой направлены ПНИ, состоит в расширении элементной базы квантовой сенсорики (магнитометрии, термометрии) с субмикронным пространственным разрешением. 2.Цели ПНИ 1.1 Поиск и идентификация парамагнитных оптически активных в ближнем инфракрасном диапазоне центров в карбиде кремния, обладающих каналом спин-зависимой рекомбинации при комнатной температуре, наличие которого обеспечивает возможность регистрации оптически-детектируемого магнитного резонанса (ОДМР-центры). 1.2 Выбор ОДМР-центров в карбиде кремния, удовлетворяющих оптимальным требованиям магнитометрии и термометрии. 1.3 Последующая интеграция карбида кремния, содержащего ОДМР-центры, в оптический конфокальный спектрометр магнитного резонанса (Спектрометр) для создания нового класса приборов сенсорики - магнитометрии и термометрии с субмикронным пространственным разрешением.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Из анализа научной литературы можно сделать вывод, что до недавнего времени, наиболее перспективным ОДМР-центром для целей сенсорики являлся отрицательно заряженный азотно-вакансионный центр в алмазе – NV дефект [G. Kucsko et al Nanometre-scale thermometry in a living cell, Nature 500, 54–58 (2013)] [M. Loretz et al, Single proton spin detection by diamond magnetometry, Science, DOI:10.1126/science.1259464 (2014)]. Это связано с тем, что спиново-оптические свойства этого центра удовлетворяли условиям, необходимым для регистрации на нем оптически детектируемого магнитного резонанса при комнатной температуре и нулевых магнитных полях. Суть явления ОДМР на NV- дефекте состоит в том, что под действием облучения алмаза светом с длинной волны 532 нм (видимый диапазон) его электронные спиновые подуровни в основном состоянии могут быть поляризованы, а приложение внешнего резонансного радиочастотного поля, равного величине расщепления спиновых подуровней кристаллическим полем, приводит к явлению магнитного резонанса, который может быть зарегистрирован по изменению интенсивности наблюдаемой люминесценции. Частота магнитного резонанса практически (с точностью до малых поправок) пропорциональна величине внешнего магнитного поля; поэтому, регистрируя, интенсивность люминесценции, как функцию частоты радиочастотного поля, можно с высокой точностью определить величину внешнего магнитного поля. При этом размеры используемого кристалла могут быть уменьшены до величины в несколько микрон или даже до десятка нанометров, что позволяет достигнуть субмикронного/ нанометрового пространственного разрешения величины внешнего магнитного поля. Для целей термометрии на базе NV центров используется аналогичный принцип детектирования сигнала ОДМР, но положение линии в данной методике уже зависит не от величины внешнего магнитного поля, а от температуры, поскольку параметр тонкой структуры центра зависит от последней. Таким образом, измеряя сдвиг частоты сигнала ОДМР в нулевом магнитном поле, можно с высоким локальным разрешением измерять изменения температуры исследуемого объекта. Карбид кремния (SiC), будучи широкозонным полупроводниковым материалом, является естественной заменой алмаза. И представляет собой соединение элементов 4 группы периодической таблицы химических элементов - кремния (Si) и алмаза (С). Оптически активные центры в кристаллической решетке SiC могут быть введены посредством метода высокотемпературной закалки, путем облучения кристалла частицами с высокими энергиями (электронами, нейтронами, протонами, ионами). Ряд центров, представляющий собой вакансионные кремниевые центры, созданные вышеуказанными способами, обладает интенсивной фотолюминесценцией при комнатной температуре. Однако в отличии от алмаза и диапазон оптического возбуждения, и флуоресценция лежат в ближней ИК области оптического спектра. От 850 нанометров до 2.1 микрометров. Это первое существенно отличие и конкурентное преимущество по сравнению с NV центрами, поскольку при исследованиях биологических объектов предпочтительнее использовать длины волн в ближнем ИК диапазоне. Величина кванта радиочастоты, которую необходимо приложить для индуцирования магнитного резонанса лежит в мегагерцовой области частот. От 27 до 127 МГц, в зависимости от используемого парамагнитного центра. Поскольку в данном частотном диапазоне работают стандартные приборы магнитно-резонансной томографии, то технически такой диапазон частот удобен.
В ходе ПНИ нами были обнаружены ОДМР-центры, с высокой степенью зависимости параметра тонкой структуры от температуры кристаллической матрицы, однако природа и способ создания таких центров пока не известны. Эти ОДМР-центры интересны тем, что величина температурного сдвига в точке T= 300 K (Кельвин) составляет порядка 1.1МГц/K, что в 14 раз превышает величину температурного сдвига у NV центров в алмазе Исследования, проводимые нами в ходе ПНИ, являются новыми и имеют высокий потенциал для патентования. В частности, они свидетельствуют о том, что кристаллическая матрица карбида кремния является перспективной в качестве рабочего тела квантовой сенсорики (магнитометров, термометров).

2. В результате выполнения ПНИ будет разработаны способы создания сенсоров магнитных полей и температуры на базе высокотехнологичного, нетоксичного материала – карбида кремния.
Будет разработан оптический конфокальный спектрометра магнитного резонанс, оптимизированный для исследования свойств парамагнитных центров в кристаллических матрицах. Спектрометр будет оптимизирован для работы в ближнем ИК диапазоне (800 нм-1700 нм). Частотный диапазон регистрации магнитного резонанса будет находиться в диапазоне от 1МГц до 4ГГц.

3. Реализуемый в рамках ПНИ подход использования парамагнитных центров в кристаллических матрицах для создания квантовых сенсоров на их основе был в первые предложен в работе [Chernobrod, B. M. & Berman, G. P. Spin microscope based on optically detected magnetic resonance. J. Appl. Phys. 97, 014903–014903–3 (2005)]. Как упоминалось выше основные исследования сейчас направлены на создание сенсоров на базе NV дефектов в алмазе. Недавно нами был предложен новый материал, для использования в качестве рабочего тела сенсоров – карбид кремния. Впервые в мире нами была продемонстрирована возможность использования точечных дефектов в карбиде кремния для измерения слабых магнитных полей и температур [H. Kraus, V. A. Soltamov, et al, Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide, Scientific Reports 4, 5303 (2014)]. Для развития достигнутых нами результатов необходимо провести работу по оптимизации способов создания «полезных» парамагнитных центров в матрице карбида кремния, разработать приборную базу для исследования степени влияния магнитных полей и температуры на сигнал ОДМР этих парамагнитных центров.

4. Результаты, полученные участниками проекта в направлении настоящего ПНИ, являются общепризнанными на мировом уровне, о чем свидетельствуют публикации в самых высокорейтинговых научных журналах. Так, за последние два года результаты исследований спиново-оптических свойств дефектов в карбиде кремния для создания новой базы квантовой сенсорики, были опубликованы в таких журналах как Nature Physics, Scientific Reports, Physical Review Letters, Journal of Applied Physics, Письма в ЖЭТФ, Applied Magnetic Resonance.

5. Условно проект можно разделить на две взаимно связанные задачи. Первая задача проекта – это создание конфокального оптического спектрометра магнитного резонанса, оптимизированного для работы в ближнем ИК диапазоне, в частности для исследования свойств парамагнитных центров в карбиде кремния. Вторая основная задача проекта – это рост монокристаллического карбида кремния высокого структурного совершенства и последующее внедрение в него оптически активных центров, реализация на этих кристаллах квантовых сенсоров магнитного поля и температуры. Вторая задача может быть целиком реализована на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. Решение первой задачи может быть затруднено только финансовой составляющей, поскольку требует закупки высококачественных оптических и микромеханических компонент и приборов, как правило у зарубежных компаний.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты окажут позитивное влияние на критические технологии развития научно-технологического потенциала нашей страны, в частности по направлениям:
-технологии диагностики наноматериалов и наноустройств ;
-биокаталитические, биосентетические и биосенсорные технологии;
-нано-, био-, информационные, когнитивные технологии;
-технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств;
-косвенно результаты, полученные в ходе работ по тематике, коснуться направления базовой технологии силовой электроники.
Реализация предлагаемого проекта позволит закрепить молодых научных сотрудников и студентов в научной среде, предоставив им возможность участвовать в постановке и решении интересных, актуальных, инновационных научных задач с применением передовых физико-математических технологий. Повысит долю публикаций отечественных научных групп в самых высокорейтинговых научных журналах, индексируемых в системе Web of Science.
2. Результаты проекта могут быть использованы:
1) контроль направленной имплантации, позиционирования, химической природы отдельных примесных атомов (например, фосфор, мышьяк, азот, бор, алюминий в полу-проводниковых структурах Si, SiC, алмаз)
2) при создании приборов микроэлектроники, спинтроники, и нового направления в приборостроении .
3) решение проблемы магнитометрии с высоким пространственным разрешением получения внутриклеточного спинового (электронного и ядерного) изображения, зондирование магнитных полей нейронов, белков, создание биометок и т.д.
4) разрешение проблем сверхлокального контроля температур, за счет использования субмикронных зондов из карбида кремния
3.Результаты, полученные в рамках выполняемого проекта, были представлены на европейской конференции по карбиду кремния и родственным материалам (European Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2014). Ведется плотное сотрудничество с Европейскими научными организациями, в частности с University of Wuerzburg, Germany и Université Pierre et Marie Curie.

Текущие результаты проекта:
В ходе ПНИ нами были обнаружены ОДМР-центры, с высокой степенью зависимости параметра тонкой структуры от температуры кристаллической матрицы, однако природа и способ создания таких центров пока не известны. Эти ОДМР-центры интересны тем, что величина температурного сдвига в точке T= 300 K (Кельвин) составляет порядка 1.1МГц/K, что в 14 раз превышает величину температурного сдвига у NV центров в алмазе Исследования, проводимые нами в ходе ПНИ, являются новыми и имеют высокий потенциал для патентования. В частности, они свидетельствуют о том, что кристаллическая матрица карбида кремния является перспективной в качестве рабочего тела квантовой сенсорики (магнитометров, термометров). Идентифицированы новые парамагнитные центры в карбиде кремния и показана возможность индуцирования оптического выстраивания спиновых подуровней этих дефектов при комнатной температуре и выше, что является необходимым условием детектирования оптического магнитного резонанса при комнатной температуре. Параметр тонкой структуры этих центров являются независимыми от температуры, что делает эти центры непригодными для термометрии, но перспективными для магнитометрии. Поскольку пространственное разрешение квантовых сенсоров в переделе стремиться к их линейным размерам, то нами была исследована возможность создания наноразмерных кристаллов карбида кремния с последующим внедрением в кристаллическую матрицу вакансионных центров. Затем нами были исследованы нанокристалы с введенными вакансионными центрами методами конфокальной микроскопии и спектроскопии магнитного резонанса. Результаты исследований показали возможность создания ярких флуоресцентных центров в наноразмерном карбиде кремния и детектирования ОДМР по изменению флуоресценции этих центров. Результаты представлены в статье "Room-temperature near-infrared silicon carbide nanocrystalline emitters based on optically aligned spin defects" и направлены в журнал Applied Physics Letters.

Была подана заявка на международный патент от 11 августа 2014 года "Способ получения кристаллических алмазных частиц", номер заявки PCT/RU 2014/000516.
Готовится заявка на патент "Способ определения ориентации NV дефектов и устройство определения ориентации NV дефектов".
Проведен патентный поиск.