金刚石氮-空位（NV）色心具有优异的室温量子特性、长相干时间、兼容微纳加工等优势，成为芯片化高精度传感器技术领域发展的新方向。基于金刚石NV色心量子效应的磁场、电场、温度、角速度等多种物理量，其传感灵敏度已逐渐突破现有传感测量技术的极限，在航空航天、深空探测、生命科学等学科领域应用越来越深入。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中北大学刘俊教授团队在《仪器仪表学报》期刊上发表了题为“金刚石氮空位色心自旋传感技术”的综述文章，介绍了金刚石NV色心自旋传感机理，基于金刚石NV色心的多种类型传感器的原理、关键技术、发展现状，并对其集成化工程应用发展趋势进行了分析。
金刚石NV色心自旋传感机理
金刚石NV色心是由金刚石晶格中1个氮原子取代了1个碳原子，并与邻近碳空位所构成的晶格缺陷结构。NV色心沿着“氮原子-空位”的连接方向具有C₃ᵥ对称性（NV色心轴向）。通常，NV色心以NV⁻（带负电）和NV⁰（电中性）两种形式存在，其中NV⁻的电子自旋态易于极化与调控。
NV色心中自旋电子的能级可通过微波调控，当微波能量与自旋能级间能量差相等时，低态能级自旋电子吸收微波能量发生共振跃迁，各能级的电子布居数发生改变。当外界物理量与自旋电子耦合时，会引起自旋电子跃迁，改变电子布居数，可通过荧光强度读取各能级电子布居数实现对物理量传感测量。目前自旋信息探测方法主要有光探测磁共振（ODMR）、Ramsey序列、Spin Echo序列等方法。
图1 NV中心电子自旋的能级图
（1）零场分裂效应传感机理
金刚石NV色心的基态能级在零外场作用时，0态和±1态之间产生能级劈裂被称为零场劈裂。零场分裂效应是基于金刚石NV色心周围核自旋的物理效应，可以用来测量温度。随着金刚石NV色心的研究不断深入，其在传感器领域的应用前景也变得越来越广阔。
（2）塞曼分裂效应传感机理
塞曼分裂效应是指外部磁场导致的NV色心能级分裂和移动。由于NV色心本身存在的磁矩，外磁场的作用引起了附加的能量，造成了能级的分裂，分裂数值与磁场强度成正比。
（3）斯塔克效应传感机理
斯塔克效应是指外部电场导致的能级移动和分裂。由于NV色心存在轴向与非轴向的电偶极矩，外电场的作用引起了附加的能量，造成了能级的分裂，分裂数值与电场强度成正比。通过斯塔克效应，金刚石NV色心在电场和应力传感领域具有很大的应用潜力，可用于生物医学、环境监测、电子学等领域。
（4）CPT效应传感机理
相干布居囚禁（CPT）是指在相干光场的作用下，所有电子布居数都长期处于两个基态的相干叠加态，且不再吸收或发射光子的物理效应。通过CPT效应，使NV色心中的电子布居数全部处于基态，进而抑制了NV色心的光子吸收和发射。当磁场波动时，CPT被打破，NV色心重新吸收并发射光子。此时，通过光子计数和磁场之间的相关关系，即可对磁场进行实时传感。
图2 基于CPT在NV色心波动磁环境中连续实时传感原理图
金刚石NV色心自旋传感进展
（1）磁传感器
磁传感技术广泛应用于磁异常探潜、地磁导航、生物医疗、地质勘探等诸多领域。基于金刚石NV色心的磁场传感技术理论上能够实现阿特斯拉量级的磁测量，成为未来小型化固态原子磁传感技术发展的主要方向之一。目前，原子自旋磁传感主要分为DC磁场和AC磁场。
目前DC磁探测方法包括ODMR、Ramsey序列和无微波GSLAC，AC磁探测方法包括Spin Echo和动力学解耦。NV作为量子磁探测器，在室温下具有超高的磁探测分辨率。在未来的磁探测领域中，是极具应用前景的方法之一。
图3 通过ODMR谱线对磁场的测量
图4 Ramsey序列及横向磁场的测量
（2）温度传感器
金刚石NV色心可作为具有优异性能的温度传感器，其温度测量主要基于三种原理：测量零场劈裂值、测量零声子线和测量磁场间接测量温度，三种方法有各自的应用场景和优势。此外，得益于微纳米金刚石中NV色心的稳定性，NV色心可应用于具有微纳米级空间分辨率的测温应用。
图5 三种测温方法示意图
（3）电场传感器
金刚石NV色心电场测量利用了其自旋性质，通过精确调整磁场，将电感应转换与磁波动解耦，提供了一种传感器从“磁性”模式切换到“电性”模式的方法，通过探索塞曼位移、局部应变效应和基态自旋流形的斯塔克位移之间的相互作用，并利用对这种相互作用的更好理解来感知电场。
图6 电压对ODMR谐振线的影响
（4）力传感器
基于NV色心的力传感器在微米甚至纳米尺度下都具有高灵敏度、高分辨率和高抗压性，可以被用于进行非破坏性的力学特性研究，实现对微观力学过程的监测。利用NV色心检测力的主要方法是ODMR和红宝石光谱方法。其中，通过ODMR计算横向零场劈裂的偏移已成为力学测量的主流方法。
图7 通过NV色心测量应力
（5）陀螺仪
陀螺仪是用于测量物体相对于惯性空间的角度运动的惯性测量设备，在导航与制导领域得到了广泛应用。随着科学理论发展与制造技术的不断提升，基于不同原理的各类型陀螺仪应运而生，其中，随着现代量子技术的发展，基于金刚石NV色心的量子陀螺仪也随之诞生。
图8 自旋测量原理图
自旋传感器件集成进展
小型化、集成化是固态原子自旋传感技术从实验室走向工程化应用的必经之路。目前，国内外学者在金刚石NV色心传感器集成化、小型化制造方面开展了大量工作，主要的集成方式有两种组装式集成和芯片级一体化集成。
（1）组装集成
基于金刚石NV色心的传感器组装集成方面，主要包含光学系统、微波系统和信息解算系统的集成化三方面问题。目前，金刚石NV色心传感器件集成还处于各分立系统的组装集成，器件集成后导致灵敏度、稳定性等性能指标下降，未来还需进一步提高集成技术的精度、可控性、互连性等性能，保障器件集成的灵敏度、稳定性等性能。
图9 系统集成磁强计
（2）微纳一体集成
基于金刚石NV色心的传感器微纳一体集成是实现固态原子自旋传感器芯片化制造的主要技术途径。目前微纳集成主要技术途径包括：MEMS微纳加工、3D打印、CMOS集成、片上一体集成等技术。
图10 金刚石NV色心系统微纳集成
结语
经过多年的发展，具有高极化率、长退相干时间和高保真度的金刚石NV色心已被广泛应用于传感磁场、电场、温度和应力等物理量。随着对其传感机理和检测方法的深入研究，NV色心传感器的性能指标不断提升。此外，NV色心还可实现裂纹等物理结构检测。同时，随着金刚石加工工艺技术的逐级成熟，NV色心传感器正向着集成化和小型化方向发展，微小型、高精度、低成本的金刚石固态原子自旋传感未来有望大批量生产，在国防军事、航空航天、生物医学等领域将得到广泛应用。
论文信息：
DOI: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2311413
