纳米磁学扫描成像系统及方法与流程

1.本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种微观磁学扫描成像系统及方法。


背景技术：

2.高精度的弱磁测量技术是现代探测技术的重要组成部分，高精度弱磁探测技术被广泛应用于基础物理、自旋电子学、化学、材料科学、生命科学、石油勘探等重大基本领域。
3.目前，相关技术中对于一些简单的测量能够满足，但是在某些要求更高的领域则无法满足要求，有待解决。


技术实现要素：

4.本发明旨在为解决上述相关技术问题提供一种重要的技术手段。
5.为此，本发明的一个目的在于提出一种纳米磁学扫描成像系统，通过多个模块之间联动即可实现nv-色心的定位和量子扫描磁成像，有效提高了自动化水平，而且可以实现室温大气等多变环境下成像，极大满足了微观磁成像的要求。
6.本发明的另一个目的在于提出一种纳米磁学扫描成像方法。
7.为了实现上述目的，本发明的一方面公开了一种纳米磁学扫描成像系统，包括：被测样品模块，所述被测样品模块用于实现栅格式扫描成像，并通过反馈，保持量子探针中nv-色心与被测样品之间距离恒定；量子探针模块，所述量子探针模块用于在扫描成像过程中，量子探针中nv-色心作为单自旋传感器，感应不同位置样品磁场变化；以及物镜模块，所述物镜模块通过反射镜与光学模块连接，用于对所述被测样品与所述量子探针之间的距离和位置进行细对准，并将激发光路传输过来的预设波长的绿色激光聚焦到所述量子探针中的nv-色心，并收集由所述nv-色心发出的红色荧光；控制模块，所述控制模块分别与所述被测样品模块、所述量子探针模块和所述物镜模块相连，用于根据输入的控制指令控制所述被测样品模块、所述量子探针模块和所述物镜模块执行相应动作，以实现对所述量子探针中nv-色心的定位和量子扫描磁成像。
8.另外，根据本发明上述实施例的纳米磁学扫描成像系统，还可以具有如下附加的技术特征：
9.根据本发明的一个实施例，所述量子探针模块，包括：量子探针；量子探针角度位移台；用于调整所述量子探针的角度，以使得所述量子探针下表面与所述被测样品表面保持平行；量子探针微米位移台，用于对物镜与所述量子探针之间的纵向距离及横向位置进行粗对准；量子探针角度位移台控制器，用于控制所述量子探针角度位移台；量子探针微米位移台控制器，用于控制所述量子探针微米位移台，实现x、y、z三个方向移动。
10.优选地，根据本发明的一个实施例，所述量子探针角度位移台旋转范围为
±5°
，角位移精度为25〞。需要说明的是，上述说明仅为示例性的，量子探针角度位移台旋转范围可以大于或小于
±5°
，角位移精度可以大于或小于25
″
。
11.根据本发明的一个实施例，所述物镜模块，包括：物镜，用于将激发光聚焦到所述
nv-色心使其极化，并对所述nv-色心发出的红色荧光进行收集；物镜纳米位移台，用于对所述量子探针进行细对准和共聚焦扫描成像中带动所述物镜移动；物镜纳米位移台控制器，用于控制所述物镜纳米位移台。
12.根据本发明的一个实施例，所述被测样品模块，包括：被测样品；被测样品纳米位移台，用于对所述被测样品进行移动，实现扫描成像；被测样品角度位移台，用于调整所述被测样品的角度，以使得所述被测样品表面与所述量子探针下表面保持平行；被测样品微米位移台，用于对所述被测样品与所述量子探针进行粗对准；被测样品纳米位移台控制器，用于控制所述被测样品纳米位移台；被测样品角度位移台控制器，用于控制所述被测样品角度位移台；被测样品微米位移台控制器，用于控制所述被测样品微米位移台。
13.根据本发明实施例的纳米磁学扫描成像系统，可以通过物镜模块实现量子探针中氮-空位中心初始化和量子态读出，并通过探针模块保证在扫描成像过程中，量子探针和被测样品之间的距离恒定，以及通过样品模块实现栅格式扫描成像的完成。由此，通过多个模块之间联动即可实现nv-色心的定位和量子扫描磁成像，有效提高了自动化水平，可以实现室温大气等多变环境下成像，极大满足了微观磁成像的要求。
14.本发明的另一方面公开了一种纳米磁学扫描成像方法，所述方法应用于上述的纳米磁学扫描成像系统，所述方法包括：通过量子探针微米位移台对物镜与所述量子探针之间的纵向距离进行粗对准；通过物镜纳米位移台对所述量子探针进行细对准；通过所述物镜将激发光路传输过来的预设波长的绿色激光聚焦到所述量子探针中的nv-色心，并收集由所述nv-色心发出的红色荧光；对收集到的红色荧光进行计数，以判断激光是否聚焦到所述量子探针；通过物镜纳米位移台对所述量子探针进行细对准；通过被测样品微米位移台对所述被测样品与所述量子探针之间的距离进行粗调；通过被测样品纳米位移台对所述被测样品与所述量子探针之间的距离进行细调，使被测样品与量子探针达到合适的工作距离；通过调节所述被测样品角度位移台和所述量子探针角度位移台，使得所述量子探针与被测样品保持平行；移动被测样品纳米位移台实现被测样品的扫描成像。
15.根据本发明的一个实施例，所述量子探针角度位移台旋转范围为
±5°
，角位移精度为25〞。
16.根据本发明实施例的纳米磁学扫描成像方法，可以通过物镜模块实现量子探针中氮-空位中心初始化和量子态读出，并通过探针模块保证在扫描成像过程中，量子探针和被测样品之间的距离恒定，以及通过样品模块实现栅格式扫描成像的完成。由此，通过多个模块之间联动即可实现nv-色心的定位和量子扫描磁成像，有效提高了自动化水平，可以实现室温大气等多变环境下成像，极大满足了微观磁成像的要求。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是根据本发明实施例的纳米磁学扫描成像系统的方框示意图；
20.图2是根据本发明一个实施例的纳米磁学扫描成像系统的方框示意图；
色心作为一种磁测量量子传感器，具有极高的测磁灵敏度。金刚石量子探针固定于低热漂的钛材质的探针基座上，探针基座再通过转接板固定于探针角度位移台上，角度位移台可以实现二维角度调节，旋转范围为
±5°
，角位移精度可达25〞。量子探针角度位移台202经过转接板固定于下方的探针三维压电量子探针微米位移台203上，量子探针微米位移台203的三轴的移动范围均为25mm，位移精度高达30nm。量子探针角度位移台202和量子探针微米位移台203的移动是通过pc端软件发送指令经由控制器来实现的，方便简单，易操控。由此，通过将本发明实施例的量子探针模块应用在量子钻石原子力显微镜仪器中，实现量子探针的对准、被测样品与探针成像距离的精确控制、高测磁灵敏度和纳米级空间分辨率微观扫描磁成像。
33.物镜模块300通过反射镜与光学模块连接，用于对所述被测样品与所述量子探针之间的距离和位置进行细对准，并将激发光路传输过来的预设波长的绿色激光聚焦到量子探针中的nv-色心，并收集由nv-色心发出的红色荧光。
34.其中，根据本发明的一个实施例，物镜模块300包括：物镜301、物镜纳米位移台302和物镜纳米位移台控制器303。物镜301用于将激发光聚焦到量子探针中的nv-色心中，并对nv-色心发出的红色荧光进行收集。物镜纳米位移台302用于对量子探针进行细校准和共聚焦扫描成像中带动物镜301移动。物镜纳米位移台控制器303用于控制物镜纳米位移台。
35.具体而言，物镜模块300主要由高数值孔径的物镜组成，其功能是可以将激发光路传输过来的532nm波长的绿色激光聚焦到量子探针中的nv-色心并收集由此色心发出的红色荧光。物镜301通过转接板、光学笼板、可调透镜套筒和转接件转接固定于一三维中空式物镜纳米位移台302，物镜纳米位移台302通过支撑杆将物镜悬于金刚石量子探针的正上方。通过物镜纳米位移台302的移动实现物镜301位置的精确控制，物镜纳米位移台302的x，y，z轴的扫描范围为100um，其定位精度可达到亚纳米量级。物镜纳米位移台302的移动由置于控制机柜中的物镜纳米位移台控制器303来控制，移动的命令由实验者通过pc端的软件发送至物镜纳米位移台控制器303。
36.控制模块400分别与被测样品模块100、量子探针模块200和物镜模块300相连，用于根据输入的控制指令控制被测样品模块100、量子探针模块200和物镜模块300执行相应动作，以实现对量子探针中nv-色心的定位和量子扫描磁成像。
37.为使得本领域技术人员进一步了解本发明实施例的纳米磁学扫描成像系统，下面以一个具体实施例详细阐述本发明实施例的纳米磁学扫描成像系统。结合图3，本发明实施例通过将afm与微观磁共振技术优点结合，通过将量子传感器集成于原子力显微镜探针中，结合锁相放大器的精确pid控制，可以将量子传感器与被测样品间的距离精确地控制在纳米级范围内，实现超高分辨率和高灵敏度无损磁学性质扫描成像。并且经过多年的潜心研究，已掌握最先进的钻石生长、量子探针制备和测试技术。量子探针制备使用微纳加工生产设备，包含离子注入、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、反应等离子体刻蚀等，完成nv色心量子探针的生成、定位、加工和检测流程。同时，本发明实施例可以实现高精度倾角调节。被测样品表面不平，可以在ccd中观测到产生的干涉条纹，通过理论计算可得到样品的倾斜角度，本发明实施例通过控制位移台移动可以带动样品精确旋转，以抵消样品的倾斜，并且本发明实施例的系统的自动化水平更高，扫描成像范围大，磁成像空间分辨率可达50nm，磁探测灵敏度可达定位精度达亚纳米级，可实现室温大气多模式成像，这些性能极大
地满足了微观磁成像的要求。
38.根据本发明实施例提出的纳米磁学扫描成像系统，可以通过物镜模块实现量子探针中氮-空位中心初始化和量子态读出，并通过探针模块保证在扫描成像过程中，量子探针和被测样品之间的距离恒定，以及通过样品模块实现栅格式扫描成像的完成。由此，通过多个模块之间联动即可实现nv-色心的定位和量子扫描磁成像，有效提高了自动化水平，而且可以实现室温大气等多变环境下成像，极大满足了微观磁成像的要求。
39.如图4所示，图4为本发明实施例的纳米磁学扫描成像方法的流程图，方法应用于上述的纳米磁学扫描成像系统，该纳米磁学扫描成像方法包括以下步骤：
40.s1，通过量子探针微米位移台对物镜与量子探针之间的纵向距离和横向位置进行粗对准。
41.具体而言，结合4和图5，物镜模块通过反射镜与光学模块连接，将激发光和收集光导入共聚焦光路，实现量子色心的初始化和量子态读出；控制模块(如pc)控制量子探针微米位移台，通过移动x和y轴，将金刚石量子探针移动至物镜正下方，控制量子探针微米位移台z轴移动，改变金刚石量子探针和物镜的纵向距离，将金刚石量子探针粗调至物镜的焦点处，实现粗对准。
42.s2，通过物镜纳米位移台对量子探针进行细对准；
43.具体而言，控制模块(如pc)控制物镜纳米位移台，通过细调物镜纳米位移台移动，改变金刚石量子探针和物镜的距离，使经过物镜聚焦的激光光斑刚好落到金刚石量子探针上。
44.s3，通过物镜将激发光路传输过来的预设波长的绿色激光聚焦到量子探针中的nv-色心，并收集由nv-色心发出的红色荧光。
45.s4，对收集到的红色荧光进行计数，以判断激光是否聚焦到量子探针。
46.s5，通过物镜纳米位移台对量子探针进行细对准。
47.具体而言，本发明实施例通过物镜收集到的从金刚石量子探针反射的激光强度进行判断，反射的激光强度通过光路到达单光子探测器，并转换为电信号，并以光子计数的方式实现量化；并通过同轴线将连续频率的微波信号传输并辐射至金刚石量子探针区域，利用光探测磁共振(odmr)的原理，实现金刚石量子探针中单nv-色心的寻找和定位。
48.s6，通过被测样品微米位移台对被测样品与量子探针之间的距离和相对位置进行粗调。
49.s7，通过被测样品纳米位移台对被测样品与量子探针中nv-色心之间的距离和相对位置进行精细调节。
50.s8，通过调节被测样品角度位移台和量子探针角度位移台，使得量子探针与被测样品保持平行。
51.s9，移动被测样品纳米位移台实现被测样品的扫描成像。
52.具体而言，控制被测样品微米位移台和被测样品纳米位移台移动，将被测样品和金刚石量子探针的距离调节并稳定在所设定的值。此过程中保持物镜和金刚石量子探针的位置不变，利用锁相放大器对音叉探针进行激励同时解调获得其振幅信号，并通过pid反馈实时观测和对比多设定的振幅值使得探针振幅快速达到稳定；通过pc控制被测样品纳米位移台xy方向栅格式地移动，在每个像素点通过锁相反馈维持探针和样品距离恒定，同时利
用nv-色心探测被测样品当前位置的磁场强度；所有像素点的磁场强度组合，即可得到样品被测区域磁场强度。
53.优选地，根据本发明的一个实施例，量子探针角度位移台旋转范围为
±5°
，角位移精度为25〞。需要说明的是，上述说明仅为示例性的，量子探针角度位移台旋转范围可以大于或小于
±5°
，角位移精度可以大于或小于25
″
。
54.需要说明的是，前述对纳米磁学扫描成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的纳米磁学扫描成像方法，此处不再赘述。
55.根据本发明实施例的提出的纳米磁学扫描成像方法，可以通过物镜模块实现量子探针中氮-空位中心初始化和量子态读出，并通过探针模块保证在扫描成像过程中，量子探针和被测样品之间的距离恒定，以及通过样品模块实现栅格式扫描成像的完成。由此，通过多个模块之间联动即可实现nv-色心的定位和量子扫描磁成像，有效提高了自动化水平，而且可以实现室温大气等多变环境下成像，极大满足了微观磁成像的要求。
56.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
57.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。