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       光与材料技术的结合是新型传感技术发展的关键。对电场、磁场和温度进行高时空分辨的精确探测，对于纳米级量子器件的研发至关重要。金刚石中的“颜色中心”（尤其是氮-空位中心，NV centers）因其独特的量子态而成为潜在的理想传感单元。然而，传统基于光学检测磁共振（ODMR）的手段时间分辨率只能达到纳秒量级，难以满足超快过程探测的需求。

       近日，日本筑波大学团队在《Nature Communications》上发表成果“An ultrafast diamond nonlinear photonic sensor”，利用金刚石中的“氮-空位中心”（NV centers），打造出了一种超快非线性光子传感器，实现了飞秒级时间分辨、纳米级空间分辨的电场探测。

       研究人员将超快泵浦-探测技术与扫描探针显微镜（SPM）结合，开发了一种新型电光（EO）传感器：

       在金刚石纳米探针中引入浅层（<40 nm）NV中心，使其具备电光效应；

       通过10飞秒的近红外激光脉冲，实现对材料表面电场的采样；

       实验结果显示，时间分辨率可达100飞秒，空间分辨率优于500nm。

       这种设计突破了传统电光传感器受衍射极限限制的瓶颈，能够实现纳米-飞秒级的联合探测。

       这一成果在科研与应用层面具有多方面价值：

       半导体材料与器件：在功率器件（如SiC、GaN）中，表面电场的分布与动态变化直接关系到器件的击穿电压和长期可靠性。该方法为器件失效机理研究提供了新工具。

       二维材料与光电器件：对单层与多层WSe₂的对比实验表明，该技术能够揭示层数、表面氧化等因素对载流子动力学的影响，为二维材料在光电子和逻辑器件中的应用提供参考。

       量子传感发展：相比传统的ODMR方法，该技术大幅提升了时间分辨率，未来有望扩展到磁场、温度等多维度参数的综合探测，为量子计算与量子网络中的器件诊断提供手段。

       纳米检测与材料科学：在纳米尺度下观察材料表面超快电场演化，有助于理解界面缺陷、散射机制等关键物理问题，为材料设计与优化提供支撑。

       随着NV探针灵敏度的提升和商业化NV金刚石探针的应用，该类超快非线性光子传感器有望将空间分辨率进一步提升至10nm级别。结合当前半导体产业对高分辨测试技术的需求，该研究提出的方案具有较强的延展性和应用潜力。其在量子传感、先进材料研究及高端检测装备领域，都可能发挥越来越重要的作用。

       图文导读

图1 | 电光纳米显微技术的概念示意图。a 采用金刚石NV尖端的超快泵探测测量示意图，采用“针尖模式”——即在样品上每个指定点垂直进退原子力显微镜探针。样品通过压电扫描器在x-y方向扫描。b 采用钻石NV尖端进行电光采样的示意图。

图2 | 金刚石NV探针的制备过程。a 聚焦离子束制备的金刚石NV尖端的扫描离子显微镜图像。b 金刚石NV尖端的光致发光图像。c 用于确认金刚石尖端NV中心的发光测量示意图。在135 µW功率的532 nm连续波激光照射后，通过共聚焦显微镜将光致发光信号收集至雪崩光电二极管。d 附着于悬臂梁的金刚石NV探针顶视光学图像。e 附着于悬臂梁的金刚石NV探针侧视图。f 搭载金刚石NV探针的自传感悬臂梁光学图像。

图3 | 采用金刚石NV探针在n型砷化镓基底上检测电场。a 表面能带弯曲示意图及金刚石NV尖端的针尖模式布局。表面态由钟形虚线表示，其中费米能级（EF）下方能带被电子占据（–）。VB和CB分别表示价带和导带。b 室温下未放置金刚石NV探针的n-GaAs晶片宏观时间分辨c 采用钻石NV探针在n-GaAs基片上获得的局部时间分辨电光信号。插图展示自传感悬臂梁的光学图像，其上附有钻石NV探针。图b和c中的黑色虚线曲线为指数拟合曲线，用于提取正文中阐述的弛豫时间常数。

图4 | WSe2上EO信号的时空测量。a 采用金刚石NV探针获得的60 µm × 60 µm区域地形图。P1~P3标记宏观测量位置：P1对应1层WSe2，P2对应体相WSe2，P3对应SiO2衬底。虚线箭头代表(c)和(e)中的线扫描区域。b 在室温下，从WSe2/SiO2表面三个不同位置（无金刚石NV探针）获得的时分辨电光信号。c 采用硅探针进行200纳米步进的原子力显微镜线扫描。P4~P11代表测量位置，从单层到多层（体相）WSe2。高度波动可能源于样品表面褶皱和/或洁净室系统的振动。d 钻石NV探针与样品的CMOS图像。e 钻石NV探针获得的局部时间分辨电光信号。e图中黑色实线分别采用单指数衰减函数（单层）与双指数衰减函数（体相）拟合所得。f图为不同位置时间分辨电光信号拟合获得的时间常数，误差条表示标准偏差。c图与f图中绿色矩形阴影区域代表体相区域。