基于氮-空位色心的微弱靜磁場(chǎng)成像測(cè)量方法

ICS17.040.30

CCSA42

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXXX—XXXX

`

基于氮-空位色心的微弱靜磁場(chǎng)成像測(cè)量方

法

Aweakstaticmagneticfieldimagingmethodbasedonnitrogen-vacancycenter

(點(diǎn)擊此處添加與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識(shí))

（征求意見稿）

（本草案完成時(shí)間：2023年5月23日）

在提交反饋意見時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

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目次

前言..................................................................................II

1范圍................................................................................1

2規(guī)范性引用文件......................................................................1

3術(shù)語和定義..........................................................................1

4原理................................................................................2

5設(shè)備操作條件........................................................................3

6設(shè)備和儀器..........................................................................3

7樣品要求............................................................................4

8人員要求............................................................................4

9成像步驟............................................................................4

10數(shù)據(jù)處理...........................................................................5

11測(cè)試報(bào)告...........................................................................6

附錄A（資料性）掃描NV探針介紹.......................................................7

附錄B（規(guī)范性）斯格明子樣品的SNVM成像結(jié)果...........................................8

附錄C（資料性）樣品的SNVM測(cè)試報(bào)告..................................................10

參考文獻(xiàn)..............................................................................11

I

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基于氮-空位色心的微弱靜磁場(chǎng)成像測(cè)量方法

1范圍

本文件規(guī)定了使用掃描氮-空位（NV）探針顯微技術(shù)對(duì)樣品產(chǎn)生的微弱靜磁場(chǎng)進(jìn)行成像的基本原理、

磁成像條件、設(shè)備和儀器、樣品要求、人員要求、成像步驟、數(shù)據(jù)處理、測(cè)試報(bào)告規(guī)范等。

本文件適用于使用掃描氮-空位探針顯微鏡（SNVM）進(jìn)行樣品表面磁感應(yīng)強(qiáng)度成像。

推薦將本方法應(yīng)用于以下測(cè)試需求：1.對(duì)以磁性薄膜、二維磁性材料等為代表的弱磁性樣品進(jìn)行磁

成像；2.對(duì)矯頑力低的磁性樣品進(jìn)行磁成像；3.對(duì)磁結(jié)構(gòu)或磁矩密度進(jìn)行定量研究；4.對(duì)微觀尺度電流

磁場(chǎng)進(jìn)行成像。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

氮-空位色心nitrogen-vacancycenter；NV色心

金剛石中一個(gè)碳原子被氮原子替代，且相鄰位置存在一個(gè)空位而形成的點(diǎn)缺陷。

注：本文件中特指金剛石中帶負(fù)電荷的氮-空位色心。

掃描氮-空位探針顯微鏡scanningNVprobemicroscope；SNVM

結(jié)合氮-空位色心光探測(cè)磁共振技術(shù)和掃描探針顯微鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品掃描磁成像的儀器。

掃描氮-空位探針scanningNVprobe

可以實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量功能的、含有單個(gè)氮-空位色心的探針。

熒光光子計(jì)數(shù)率photoncountingrateofthefluorescence

SNVM單位時(shí)間內(nèi)收集到的熒光光子數(shù)。

注：?jiǎn)挝粸閭€(gè)/秒（c/s）。

光探測(cè)磁共振opticallydetectedmagneticresonance

NV色心在激光和微波作用下，共振吸收某一特定微波頻率的物理過程。譜線表現(xiàn)為熒光光子計(jì)數(shù)率

降低，形成共振峰。

定量磁成像模式quantitativemagneticimagingmode

一種磁成像模式。掃描時(shí)，對(duì)樣品每一像素點(diǎn)做光探測(cè)磁共振譜測(cè)量，通過譜線擬合和計(jì)算得到每

個(gè)像素點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

注：該模式也稱為“Full-Bmode”。

1

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等高線磁成像模式contourmagneticimagingmode

一種磁成像模式。掃描時(shí)，固定一個(gè)或多個(gè)微波頻率采集熒光強(qiáng)度。

注：該模式也稱為“ISO-Bmode”。

4原理

基于NV色心的磁成像技術(shù)

用綠色激光（波長(zhǎng)常用532nm或520nm）對(duì)NV色心泵浦，同時(shí)施加微波。當(dāng)微波頻率與NV色心電子

自旋能級(jí)共振時(shí)，NV色心電子有一定概率從|0態(tài)躍遷到|-1態(tài)或|+1態(tài)，導(dǎo)致NV色心熒光光子計(jì)數(shù)率

下降，從而在光探測(cè)磁共振譜上形成共振峰，見圖1。微波作用下，采集的光子數(shù)NS與無微波作用下采

???

集的光子數(shù)NR的比值（NS/NR）作為光探測(cè)磁共振譜的信號(hào)強(qiáng)度。光探測(cè)磁共振譜中，共振峰處對(duì)應(yīng)的1-

Ns/NR值稱為NV色心的對(duì)比度。當(dāng)磁場(chǎng)改變時(shí)，由于塞曼效應(yīng)，NV色心電子自旋能級(jí)發(fā)生改變，光探測(cè)

磁共振譜的共振峰位置也會(huì)隨之移動(dòng)。依據(jù)共振峰位置，可以計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1光探測(cè)磁共振譜示意圖

在NV色心對(duì)樣品磁成像的基礎(chǔ)上，SNVM還需要結(jié)合掃描探針顯微鏡技術(shù)，使掃描NV探針在樣品表面

掃描，見圖2。SNVM通過納米位移臺(tái)移動(dòng)樣品，利用NV色心測(cè)量樣品每像素點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制成磁

感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。關(guān)于掃描NV探針的介紹參見附錄A。

標(biāo)引序號(hào)說明：

2

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1——掃描探針顯微鏡控制器；

2——物鏡；

3——掃描NV探針；

4——微波天線；

5——樣品；

6——納米位移臺(tái)。

圖2SNVM結(jié)構(gòu)示意圖

掃描NV探針的工作模式

SNVM可工作在反饋控制模式下，如AC模式或接觸模式[1-2]。將掃描探針顯微鏡控制器讀取的探針振

動(dòng)信息作為反饋信號(hào)，保持掃描NV探針針尖與樣品之間的距離在納米級(jí)。其中，若SNVM工作在AC模式，

則探針振幅不宜超過1nm。

SNVM也可工作在非反饋控制模式下。該模式下不使用反饋控制，保持掃描NV探針針尖與樣品之間的

距離恒定。

磁場(chǎng)靈敏度

將掃描氮-空位探針顯微鏡在單位時(shí)間內(nèi)可探測(cè)到的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量定義為磁場(chǎng)靈敏度，可

通過光探測(cè)磁共振譜用（1）式[3]計(jì)算得到：

······················································(1)

41??

式中：?=33????

——磁場(chǎng)靈敏度，單位為微特斯拉每根號(hào)赫茲（）；

——NV色心電子自旋的旋磁比，=28MHz/mT；

?μT/Hz

——NV色心的對(duì)比度；

????

——光探測(cè)磁共振譜的半高全寬，單位為兆赫茲（MHz）；

?

——NV色心的熒光光子計(jì)數(shù)率，單位為個(gè)每秒（c/s）。

??

在使用等高線磁成像模式進(jìn)行磁成像過程中，為達(dá)到最優(yōu)靈敏度，需要將微波頻率固定在光探測(cè)磁

?

共振譜斜率最大處對(duì)應(yīng)的頻率。

5設(shè)備操作條件

SNVM應(yīng)在儀器說明書規(guī)定的環(huán)境條件下工作。

操作時(shí)使樣品、儀器、環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)。

測(cè)量過程中，樣品臺(tái)部分保持封閉狀態(tài)，防止外界干擾。

6設(shè)備和儀器

SNVM能夠利用掃描NV探針中的NV色心，實(shí)現(xiàn)共聚焦成像、光探測(cè)磁共振譜測(cè)量、探針進(jìn)針、磁感應(yīng)

強(qiáng)度成像等基本實(shí)驗(yàn)功能。為保證圖像的質(zhì)量和準(zhǔn)確度，推薦SNVM的樣品納米位移臺(tái)水平掃描長(zhǎng)度至少

10μm，水平方向（x/y方向）重復(fù)定位精度優(yōu)于2nm，垂直掃描范圍至少3μm；微波源的頻率準(zhǔn)確度

優(yōu)于1kHz。

3

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7樣品要求

樣品的尺寸應(yīng)不大于SNVM的最大允許尺寸。

樣品表面應(yīng)光滑、無污染。

樣品不應(yīng)具有腐蝕性、放射性。

樣品在成像過程中不發(fā)出干擾探測(cè)的熒光。

8人員要求

人員應(yīng)要求進(jìn)行過相應(yīng)的崗位培訓(xùn)和操作授權(quán)。

9成像步驟

采集圖像數(shù)據(jù)前的準(zhǔn)備

打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將掃描NV探針以及待測(cè)樣品分別安裝在探針架和樣品臺(tái)上，使得掃描NV探針可以掃

描任何可選的待測(cè)區(qū)域。進(jìn)行SNVM的軟件和硬件初始化設(shè)置。

探針性質(zhì)的測(cè)試

9.2.1驗(yàn)證探針是否能夠正常驅(qū)動(dòng)。如掃描不到共振峰，應(yīng)檢查探針是否接觸不良，或者更換其它探

針，直至可以掃描到共振峰。

9.2.2打開共聚焦掃描功能，對(duì)掃描NV探針中的NV色心進(jìn)行熒光成像。

9.2.3調(diào)整激光光點(diǎn)與NV色心的相對(duì)位置，使得NV色心熒光光子計(jì)數(shù)率達(dá)到最大。

9.2.4驗(yàn)證能否檢測(cè)到NV色心的光探測(cè)磁共振譜，建議選擇光探測(cè)磁共振譜對(duì)比度優(yōu)于10%的NV色

心。

9.2.5根據(jù)光探測(cè)磁共振譜，讀取并記錄NV色心零場(chǎng)劈裂值。

下針及圖像數(shù)據(jù)采集

9.3.1根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求，施加外磁場(chǎng)，建議控制外磁場(chǎng)垂直于NV軸向的分量，以保證NV色心的光

探測(cè)磁共振譜對(duì)比度優(yōu)于10%。

9.3.2將樣品靠近掃描NV探針的針尖，選擇合適的探針工作模式。

9.3.3打開成像功能，選擇定量磁成像模式或者等高線磁成像模式，掃描時(shí)確保在x方向上采集M個(gè)

像素點(diǎn)，y方向上采集N個(gè)像素點(diǎn)，即M×N個(gè)像素點(diǎn)。根據(jù)需求設(shè)置合理的采樣時(shí)間。設(shè)定掃描范圍，

進(jìn)行掃描，記錄磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

9.3.4掃描結(jié)束后，重復(fù)對(duì)相同位置進(jìn)行掃描，以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和可重復(fù)性。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不

可重復(fù)，原因可能是掃描NV探針受到污染，應(yīng)更換探針，重復(fù)9.2.1～9.3.3步驟；或NV色心和樣品

位置發(fā)生漂移，應(yīng)重新校準(zhǔn)NV色心和樣品的位置，重復(fù)9.3.2～9.3.3步驟。

4

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10數(shù)據(jù)處理

宜采用熱力圖來展示成像數(shù)據(jù)，參照附錄B的圖B.1。

等高線磁成像模式的數(shù)據(jù)處理

在等高線磁成像模式下，若用光探測(cè)磁共振譜的信號(hào)強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其誤差用公式（2）描述。

····················································(1)

??11

式中：?c=????+??

——等高線磁成像模式下，對(duì)比度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

——微波作用下，SNVM采集的光子數(shù)；

?c

——無微波作用下，SNVM采集的光子數(shù)。

?s

?R定量磁成像模式的數(shù)據(jù)處理

定量磁成像模式下，可獲得NV色心的光探測(cè)磁共振譜，如圖1所示。磁場(chǎng)的大小與共振頻率滿足公

式（3）和（4）的關(guān)系。

·······································(1)

??+?+?2???+???2?+?+??+?+

?∥=3??3?

·····································(2)

?2???+???2?+2????+2????+2?+

式中：?⊥=3??3?

——平行于NV軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為毫特斯拉（mT）；

——垂直于NV軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為毫特斯拉（mT）。

?∥

——NV色心零場(chǎng)劈裂，典型值2870MHz；

?⊥

——光探測(cè)磁共振譜的右峰共振頻率，單位為兆赫茲（MHz）；

?

——光探測(cè)磁共振譜的左峰共振頻率，單位為兆赫茲（MHz）；

?+

若磁場(chǎng)滿足，（3）式簡(jiǎn)化為：

??

?⊥??/γe··············································(3)

?+????+?DD???

∥???

在定量磁成像模式下，因?yàn)闉橥?磁場(chǎng)=與2樣?品=磁場(chǎng)?在=NV?軸上的分量之和，所以樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度

可用公式（6）來描述，磁感應(yīng)強(qiáng)?度∥的誤差用公式（7）來描述。

··················································(4)

?sample=?∥??????

22··············································(5)

??

?++????+???

式中：?B=2??=??=??

——樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為毫特斯拉（mT）；

——外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為毫特斯拉（mT）；

?sample

——磁感應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差；

?????

——擬合光探測(cè)磁共振譜右峰得到的共振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差；

?B

——擬合光探測(cè)磁共振譜左峰得到的共振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差。

σ?+

σ??

5

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11測(cè)試報(bào)告

測(cè)試報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)測(cè)試報(bào)告的唯一編號(hào)；

b)樣品的名稱；

c)送樣的日期；

d)送樣人的姓名、單位、聯(lián)系方式；

e)測(cè)試內(nèi)容及要求；

f)樣品的測(cè)試日期；

g)測(cè)試儀器的型號(hào)及工作條件；

h)測(cè)試結(jié)果以及必要的結(jié)果說明；

i)測(cè)試人及審核人簽字；

j)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的名稱和單位地址；

k)測(cè)試報(bào)告頁碼。

測(cè)試報(bào)告樣表可參考附錄C。

6

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A

A

附錄A

（資料性）

掃描NV探針介紹

a)基于硅基懸臂梁式掃描NV探針b)基于石英音叉式掃描NV探針

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——硅基懸臂梁；

2——納米金剛石；

3——金剛石納米柱；

4——石英音叉。

圖A.1掃描NV探針結(jié)構(gòu)示意圖

用于掃描成像的掃描NV探針形式有多種，這里介紹常見的兩種。一種是將納米金剛石粘到硅基懸臂

梁針尖末端，第二種是將金剛石納米柱固定在石英音叉上。對(duì)于其他形式的掃描NV探針做微弱靜磁場(chǎng)成

像，亦適用于本文件。

若NV色心的制備是通過離子注入法實(shí)現(xiàn)，建議氮離子的注入能量不大于20keV，以保證NV色心深度

較淺；使用的掃描NV探針中，NV色心熒光不能存在閃爍現(xiàn)象，且熒光光子計(jì)數(shù)率優(yōu)于100kc/s，光探測(cè)

磁共振譜對(duì)比度優(yōu)于10%。

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J

B

附錄B

（規(guī)范性）

斯格明子樣品的SNVM成像結(jié)果

B.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

斯格明子樣品的SNVM成像結(jié)果見圖B.1。

a）等高線磁成像模式b）定量磁成像模式

圖B.1等高線磁成像模式的誤差分析結(jié)果

B.2等高線磁成像模式數(shù)據(jù)分析

對(duì)于等高線磁成像模式，若用光探測(cè)磁共振譜的信號(hào)強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可在實(shí)驗(yàn)圖像中截取一定

長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。例如，在圖B.1a）中截取200nm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2）可計(jì)算出

每點(diǎn)的誤差結(jié)果，見圖B.2。

圖B.2等高線磁成像模式的誤差分析結(jié)果

B.3定量磁成像模式數(shù)據(jù)分析

對(duì)于定量磁成像模式，用每一像素點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可在實(shí)驗(yàn)圖像中截取一定長(zhǎng)度的

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。例如，在圖B.1b）中截取2000nm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（7）可計(jì)算出每點(diǎn)

的誤差結(jié)果，見圖B.3。

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圖B.3定量磁成像模式的誤差分析結(jié)果

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K

C

附錄C

（資料性）

樣品的SNVM測(cè)試報(bào)告

報(bào)告編號(hào)：

樣品名稱：

送樣日期：

送樣單位及地址：

送樣姓名：聯(lián)系電話：E-mail地址：

測(cè)試內(nèi)容與要求：

檢測(cè)條件：

SNVM型號(hào)：

掃描NV探針共振頻率：

NV色心熒光光子計(jì)數(shù)率：

NV色心零場(chǎng)劈裂值

掃描像素?cái)?shù)：

積分、比例、微分增益：

成像模式：

外加磁場(chǎng)：

實(shí)驗(yàn)溫度：

掃描NV探針工作模式：

掃描NV探針距樣品的高度：

檢測(cè)結(jié)果：

圖像：

必要的說明：

測(cè)試人姓名：測(cè)試單位聯(lián)系電話：

測(cè)試單位地址：審核人姓名：

測(cè)試單位（公章）：測(cè)試日期：年月日

報(bào)告書共頁

10

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參考文獻(xiàn)

[1]PraterCB.VibratingProbe(AC)MethodsinAtomicForceMicroscopy[J].SpringerUS,

1994.

[2]YvesF.Dufrêne,AndoT,GarciaR,etal.Imagingmodesofatomicforcemicroscopy

forapplicationinmolecularandcellbiology[J].NatureNanotechnology,2017,12(4):295-307.

[3]BarryJF,SchlossJM,BauchE,etal.SensitivityoptimizationforNV-diamond

magnetometry[J].ReviewofModernPhysics,2020,92(1).

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前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定

起草。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。

本文件由全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC578）提出并歸口。

本文件起草單位：國(guó)儀量子（合肥）技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、北

京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院、中北大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中

國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所、北京華航無線電測(cè)量研究所、南京大學(xué)。

本文件主要起草人：榮星、王鵬飛、許克標(biāo)、黃文浩、王明磊、袁珩、孫啟超、唐軍、徐南陽、劉

剛欽、王宇、馬菁汀、黃璞、賀羽。

II

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基于氮-空位色心的微弱靜磁場(chǎng)成像測(cè)量方法

1范圍

本文件規(guī)定了使用掃描氮-空位（NV）探針顯微技術(shù)對(duì)樣品產(chǎn)生的微弱靜磁場(chǎng)進(jìn)行成像的基本原理、

磁成像條件、設(shè)備和儀器、樣品要求、人員要求、成像步驟、數(shù)據(jù)處理、測(cè)試報(bào)告規(guī)范等。

本文件適用于使用掃描氮-空位探針顯微鏡（SNVM）進(jìn)行樣品表面磁感應(yīng)強(qiáng)度成像。

推薦將本方法應(yīng)用于以下測(cè)試需求：1.對(duì)以磁性薄膜、二維磁性材料等為代表的弱磁性樣品進(jìn)行磁

成像；2.對(duì)矯頑力低的磁性樣品進(jìn)行磁成像；3.對(duì)磁結(jié)構(gòu)或磁矩密度進(jìn)行定量研究；4.對(duì)微觀尺度電流

磁場(chǎng)進(jìn)行成像。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

氮-空位色心nitrogen-vacancycenter；NV色心

金剛石中一個(gè)碳原子被氮原子替代，且相鄰位置存在一個(gè)空位而形成的點(diǎn)缺陷。

注：本文件中特指金剛石中帶負(fù)電荷的氮-空位色心。

掃描氮-空位探針顯微鏡scanningNVprobemicroscope；SNVM

結(jié)合氮-空位色心光探測(cè)磁共振技術(shù)和掃描探針顯微鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品掃描磁成像的儀器。

掃描氮-空位探針scanningNVprobe

可以實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量功能的、含有單個(gè)氮-空位色心的探針。

熒光光子計(jì)數(shù)率photoncountingrateofthefluorescence

SNVM單位時(shí)間內(nèi)收集到的熒光光子數(shù)。

注：?jiǎn)挝粸閭€(gè)/秒（c/s）。

光探測(cè)磁共振opticallydetectedmagneticresonance

NV色心在激光和微波作用下，共振吸收某一特定微波頻率的物理過程。譜線表現(xiàn)為熒光光子計(jì)數(shù)率

降低，形成共振峰。

定量磁成像模式quantitativemagneticimagingmode

一種磁成像模式。掃描時(shí)，對(duì)樣品每一像素點(diǎn)做光探測(cè)磁共振譜測(cè)量，通過譜線擬合和計(jì)算得到每

個(gè)像素點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

注：該模式也稱為“Full-Bmode”。

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等高線磁成像模式contourmagneticimagingmode

一種磁成像模式。掃描時(shí)，固定一個(gè)或多個(gè)微波頻率采集熒光強(qiáng)度。

注：該模式也稱為“ISO-Bmode”。

4原理

基于NV色心的磁成像技術(shù)

用綠色激光（波長(zhǎng)常用532nm或520nm）對(duì)NV色心泵浦，同時(shí)施加微波。當(dāng)微波頻率與NV色心電子

自旋能級(jí)共振時(shí)，NV色心電子有一定概率從|0態(tài)躍遷到|-1態(tài)或|+1態(tài)，導(dǎo)致NV色心熒光光子計(jì)數(shù)率

下降，從而在光探測(cè)磁共振譜上形成共振峰，見圖1。微波作用下，采集的光子數(shù)NS與無微波作用下采

???

集的光子數(shù)NR的比值（NS/NR）作為光探測(cè)磁共振譜的信號(hào)強(qiáng)度。光探測(cè)磁共振譜中，共振峰處對(duì)應(yīng)的1-

Ns/NR值稱為NV色心的對(duì)比度。當(dāng)磁場(chǎng)改變時(shí)，由于塞曼效應(yīng)，NV色心電子自旋能級(jí)發(fā)生改變，光探測(cè)

磁共振譜的共振峰位置也會(huì)隨之移動(dòng)。依據(jù)共振峰位置，可以計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1光探測(cè)磁共振譜示意圖

在NV色心對(duì)樣品磁成像的基礎(chǔ)上，SNVM還需要結(jié)合掃描探針顯微鏡技術(shù)，使掃描NV探針在樣品表面

掃描，見圖2。SNVM通過納米位移臺(tái)移動(dòng)樣品，利用NV色心測(cè)量樣品每像素點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制成磁

感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。關(guān)于掃描NV探針的介紹參見附錄A。

標(biāo)引序號(hào)說明：

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1——掃描探針顯微鏡控制器；

2——物鏡；

3——掃描NV探針；

4——微波天線；

5——樣品；

6——納米位移臺(tái)。

圖2SNVM結(jié)構(gòu)示意圖

掃描NV探針的工作模式

SNVM可工作在反饋控制模式下，如AC模式或接觸模式[1-2]。將掃描探針顯微鏡控制器讀取的探針振

動(dòng)信息作為反饋信號(hào)，保持掃描NV探針針尖與樣品之間的距離在納米級(jí)。其中，若SNVM工作在AC模式，

則探針振幅不宜超過1nm。

SNVM也可工作在非反饋控制模式下。該模式下不使用反饋控制，保持掃描NV探針針尖與樣品之間的

距離恒定。

磁場(chǎng)靈敏度

將掃描氮-空位探針顯微鏡在單位時(shí)間內(nèi)可探測(cè)到的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量定義為磁場(chǎng)靈敏度，可

通過光探測(cè)磁共振譜用（1）式[3]計(jì)算得到：

······················································(1)

41??

式中：?=33????

——磁場(chǎng)靈敏度，單位為微特斯拉每根號(hào)赫茲（）；

——NV色心電子自旋的旋磁比，=28MHz/mT；

?μT/Hz

——NV色心的對(duì)比度；

????

——光探測(cè)磁共振譜的半高全寬，單位為兆赫茲（MHz）；

?

——NV色心的熒光光子計(jì)數(shù)率，單位為個(gè)每秒（c/s）。

??

在使用等高線磁成像模式進(jìn)行磁成像過程中，為達(dá)到最優(yōu)靈敏度，需要將微波頻率固定在光探測(cè)磁

?

共振譜斜率最大處對(duì)應(yīng)的頻率。

5設(shè)備操作條件

SNVM應(yīng)在儀器說明書規(guī)定的環(huán)境條件下工作。

操作時(shí)使樣品、儀器、環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)。

測(cè)量過程中，樣品臺(tái)部分保持封閉狀態(tài)，防止外界干擾。

6設(shè)備和儀器

SNVM能夠利用掃描NV探針中的NV色心，實(shí)現(xiàn)共聚焦成像、光探測(cè)磁共振譜測(cè)量、探針進(jìn)針、磁感應(yīng)

強(qiáng)度成像等基本實(shí)驗(yàn)功能。為保證圖像的質(zhì)量和準(zhǔn)確度，推薦SNVM的樣品納米位移臺(tái)水平掃描長(zhǎng)度至少

10μm，水平方向（x/y方向）重復(fù)定位精度優(yōu)于2nm，垂直掃描范圍至少3μm；微波源的頻率準(zhǔn)確度

優(yōu)于1kHz。

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7樣品要求

樣品的尺寸應(yīng)不大于SNVM的最大允許尺寸。

樣品表面應(yīng)光滑、無污染。

樣品不應(yīng)具有腐蝕性、放射性。

樣品在成像過程中不發(fā)出干擾探測(cè)的熒光。

8人員要求

人員應(yīng)要求進(jìn)行過相應(yīng)的崗位培訓(xùn)和操作授權(quán)。

9成像步驟

采集圖像數(shù)據(jù)前的準(zhǔn)備

打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將掃描NV探針以及待測(cè)樣品分別安裝在探針架和樣品臺(tái)上，使得掃描NV探針可以掃

描任何可選的待測(cè)區(qū)域。進(jìn)行SNVM的軟件和硬件初始化設(shè)置。

探針性質(zhì)的測(cè)試

9.2.1驗(yàn)證探針是否能夠正常驅(qū)動(dòng)。如掃描不到共振峰，應(yīng)檢查探針是否接觸不良，或者更換其它探

針，直至可以掃描到共振峰。

9.2.2打開共聚焦掃描功能，對(duì)掃描NV探針中的NV色心進(jìn)行熒光成像。

9.2.3調(diào)整激光光點(diǎn)與NV色心的相對(duì)位置，使得NV色心熒光光子計(jì)數(shù)率達(dá)到最大。

9.2.4驗(yàn)證能否檢測(cè)到NV色心的光探測(cè)磁共振譜，建議選擇光探測(cè)磁共振譜對(duì)比度優(yōu)于10%的NV色

心。

9.2.5根據(jù)光探測(cè)磁共振譜，讀取并記錄NV色心零場(chǎng)劈裂值。

下針及圖像數(shù)據(jù)采集

9.3.1根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求，施加外磁場(chǎng)，建議控制外磁場(chǎng)垂直于NV軸向的分量，以保證NV色心的光

探測(cè)磁共振譜對(duì)比度優(yōu)于10%。

9.3.2將樣品靠近掃描NV探針的針尖，選擇合適的探針工作模式。

9.3.3打開成像功能，選擇定量磁成像模式或者等高線磁成像模式，掃描時(shí)確保在x方向上采集M個(gè)

像素點(diǎn)，y方向上采集N個(gè)像素點(diǎn)，即M×N個(gè)像素點(diǎn)。根據(jù)需求設(shè)置合理的采樣時(shí)間。設(shè)定掃描范圍，

進(jìn)行掃描，記錄磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

9.3.4掃描結(jié)束后，重復(fù)對(duì)相同位置進(jìn)行掃描，以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和可重復(fù)性。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不

可重復(fù)，原因可能是掃描NV探針受到污染，應(yīng)更換探針，重復(fù)9.2.1～9.3.3步驟；或NV色心和樣品

位置發(fā)生漂移，應(yīng)重新校準(zhǔn)NV色心和樣品的位置，重復(fù)9.3.2～9.3.3步驟。

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10數(shù)據(jù)處理

宜采用熱力圖來展示成像數(shù)據(jù)，參照附錄B的圖B.1。

等高線磁成像模式的數(shù)據(jù)處理

在等高線磁成像模式下，若用光探測(cè)磁共振譜的信號(hào)強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其誤差用公式（2）描述。