如何开发出人造钻石传感器？钻石传感器有哪些优势？

说起钻石，大家就会想到真挚的爱情、美满的婚姻。其实，钻石除了美丽之外，它还有意想不到的实际作用，那就是打造极其灵敏的传感器。我们的生活早就被各种传感器包围，从心电监护到烟雾报警器，每天，传感器都通过搜集光线、电流、图像和声音，监测我们的身体和周边环境的微小变化。但是，目前的传感器仍然无法探测纳米级别的磁场，大大阻碍了我们对未知的探究。而钻石，凭借它特殊的晶体结构，为我们开启新世界的大门。戴德姆（DIADEMS）开发出的人造钻石传感器能够以前所未有的超高精度测量磁场，目前，他们正在把该成果进行商业化。这项技术已经在四家新秀公司取得成功。

戴德姆自2016年被科迪斯收购后，工作上取得了很大的进展。当年，该财团的目标是制造能够探测纳米级以下磁场分布的人造钻石传感器。现在已经实现了预期的目标，Diadems超出了所有研究人员的期望，他们现在正在开发市场应用，同时进行一个潜在的新研究项目的研究工作。

氮原子嵌入到金刚石晶格中

戴德姆的传感器是基于人造超纯钻石中的“氮空位”（NV）中心进行开发的。超纯单晶金刚石中的单个碳原子被一个氮原子取代后，相邻的晶格空隙就产生了一个氮空位中心，也就能够探测纳米级别的磁场。为了能更好地发挥氮空泡中心的性能，钻石中的氮空泡需要刚好在晶体表面之下，因为有效的磁耦合（测量用效应）取决于传感器与样品材料之间的紧密接触。如果可以控制氮空泡的性质，包括所注入的氮原子的位置和朝向，便能生产出适用于不同设备的敏感传感器。

如何做到？

对于戴德姆研究团队而言，“离子注入”，也就是将氮原子注入正确的位置尤为关键。试想将氮离子照进面积约4平方毫米（4mm square）、厚度只有半毫米的钻石晶体，难度非同小可。如何操作呢？可以考虑通过控制输入的离子的能量，直接将氮植入几纳米（1 纳米=10^-9米）以下的晶体表面。

或者采用另一种新型技术，也就是把氮原子添加在仍在生长的钻石里。DIADEMS的研究团队使用合成的石头，在其生长的过程（被称为化学气相沉积）中，采用高温含碳气体来创造钻石。只要在这些气体中添加氮气，就可以在表面之下可控的位置生成一层氮，氮空泡中心的性能也就得以控制。

应用前景广阔

可以说，钻石氮空泡传感器的成功开发，意义非凡。这意味着在我们可以在单个分子水平上分析物质特性，我们的很多医学、计算机等方面的难题也将迎刃而解。

戴德姆项目的合作者、泰勒斯研究与技术中心的蒂埃里·德布伊斯施特（Thierry Debuisschert）表示：“其中一个应用是制作用于监测电子电路的广域磁成像仪。因为它可以在室温和环境大气条件下工作，所以是一种使用起来非常方便的新工具。”

“还有其他应用：可以增强高密度硬盘的读/写磁头特性，这样就可以再增加磁盘的容量；核磁共振（NMR）要求具有较高的灵敏度，在MRI机器中使用该技术可以降低成本和减小磁场强度；新型光子器件可以提高NV荧光探测器的效率；可以用在反铁磁材料GHz范围的光谱分析及磁畴的表征工作中。”

因为有这么巨大的潜力，所以我们好不惊讶地看到欧洲各地涌现出一些相关的项目。例如，项目合作伙伴AttoCube目前正在开发一种原子力和共焦组合的显微镜。这种显微镜使用单个NV中心作为传感器，主要用在商业使用上。第6元素公司（Element 6）是戴德姆的另一个合作伙伴，做了许多基于NV先进材料的投资和项目开发。蒂埃里说：“项目合作伙伴还启动了四个创业项目：nVision、SQUTEC、qnmi和qzabre。”

他补充说：“自项目结束以来，我们一直表现的非常积极。我们的新目标是提高带宽、灵敏度和分辨率，我们还在研究新的应用，例如基于金刚石光学谐振器的微波天线、高灵敏度传感器。”

该财团还提交了一份关于在Horizon 2020中获得进一步供资的新提案，目前相关单位正在对该提案进行评估。其目标有三：一是开发基于磁场测量的先进应用，如电动汽车、疾病早期诊断、生物学、机器人和无线通信管理。二是致力于制作全新的传感器，以检测细胞内的温度、监测高压下物质的新状态、感测具有极高灵敏度的电场。三是开发新的测量工具来描述制药工业中单分子的化学结构，以及纳米级自旋电子器件的详细结构。

新项目将开发社会上十分必需的新工具，利用这些全新的工具设备将获得以下预期成果：实现制备具有超低杂质水平的最高品位金刚石材料，开发出能克服传感方案中残余噪声的先进传输协议，以及实现对微型和高效器件的工程优化。