[0003] 本发明涉及用于量子信息处理的固态元件，并且更具体地，涉及氮空位色心量子感测设备。

[0004] 纳米金刚石中的氮空位(NV)色心或自旋缺陷已经作为用于量子信息处理[1‑8]、量子光学[9‑11]和纳米级量子感测[12‑14]的有前景的固态元件出现。具体地，NV色心在室温下显示出它们的量子特性和鲁棒性[5，6，15，16]，为量子设备的实际实现迈出了重要一步。要充分发挥它们的能力，就必须制定在光子电路上单独操纵和访问它们的策略。

[0005] 已经对NV色心的生产和放置进行了大量研究。在金刚石中生成NV色心主要依赖于离子注入。使用聚焦氮[17]、氦[18]离子或电子束[19]照射也产生了具有亚微米空间分辨率的高精度NV色心，这是基础研究中的重大突破。然而，金刚石与常规微制造过程的不相容性限制了纳米光子设备的实际实现。

[0006] 已经设计了使用纳米尺寸金刚石颗粒的替代方法来改善与各种基板和电路的兼容性[20‑22]。首先，基于滴铸或旋涂的随机方法提供了一种简单且成本有效的途径来将NV色心纳米金刚石放置在基板上[20]，但在颗粒定位方面存在随机性。已经实施了使用具有实时观察的纳米操纵器的“拾取和放置”方法以提高位置精度[21，23]，并在将NV色心与纳米光子结构进行近场耦合方面取得了令人振奋的进展。然而，这些复杂的方法对满足所需吞吐量的能力提出了挑战。尽管光刻制备的静电图案[22，24，25]最近已被用于NV色心的大规模集成，但是对于实现纳米级精度、可扩展性、成本效益以及与各种纳米光子电路的高效耦合，仍然非常需要一种通用且灵活的制造途径。

[0015] 图1A描绘了基于EHD分配的纳米金刚石印刷的概念。将孔径为800nm的玻璃纳米移液器填充有40nm金刚石悬浮液油墨(羧基化的，每个颗粒1～4个NV色心，74％荧光颗粒)，并与基板以5μm的固定间隔放置。悬浮在去离子水中的纳米金刚石溶液的浓度范围为1μg/mL至4μg/mL。基板(其可以是硅晶圆、盖玻璃等)放置在背电极上，该背电极安装在具有250nm移动精度的三轴步进电动台上。

[0016] 当将具有编程电压幅度和长度的DC脉冲施加到背电极时，在纳米移液器处的墨弯液面和基板之间产生静电吸引力，导致具有亚阿托立升体积(即<10L‑18L)的载有纳米金刚石的纳米微滴的喷射(图1B)。电脉冲可以是约350伏至约370伏，长度为5ms～20ms。一旦液滴落在基板上，溶剂就快速蒸发(图1C)，形成具有微小颗粒数的纳米金刚石簇。嵌入印刷簇中的NV色心的电子自旋然后在532nm激光激发下可光学寻址(图1D)。注意，“印刷产率”被定义为通过一百次尝试印刷的纳米金刚石簇的数量，其用于本发明的定量研究。

[0017] 图1E是通过向背电极施加360V脉冲(每个斑点的脉冲宽度为20ms)而印刷在硅晶圆基板上的间距为3μm的纳米金刚石簇的9×6阵列的场发射扫描电子显微镜(FE‑SEM)图像。图1F示出了印刷簇阵列的共焦光致发光(PL)图像呈现出100％荧光斑点。从数量上看，高于350V的电压幅度导致超过98％的印刷产率，因为静电力克服了墨弯液面的表面张力(图1G)。图1H示出了由于增强的EHD油墨流动，印刷簇半径(在插图FE‑SEM图像中标记为R)随着电压幅度的增加趋势。EHD印刷纳米金刚石簇在532nm激光激发下呈现出清晰的NV色心荧光。

[0018] 印刷产率(即，纳米金刚石印刷的一致性)依赖于纳米金刚石油墨的分散稳定性。均匀分散的油墨有助于获得载有纳米金刚石的液滴的高产率。另一方面，纳米金刚石簇可能导致纳米移液器的堵塞。为了实现令人满意的印刷产率，使用由源自负表面电荷的静电(双层)排斥力稳定的羧基化纳米金刚石。此外，必须控制可影响分散体稳定性的物理、化学环境。例如，图2A示出了离子强度对印刷产率的影响。在低于13μm的离子强度下，获得约
100％的印刷产率。在8.6μm(图2B)和12.7μm(图2C)下的颗粒尺寸分布分别显示35.6nm和
36.1nm的平均值，类似于约40nm的单颗粒直径。随着离子强度从32.7μm、49.4μm、131.5μm增加到340.8μm，印刷产率分别从83.3％、32.5％、0％急剧降低到0％(图2A)，这是由于图2D‑图2G中所示的颗粒聚集的加速所致。纳米金刚石之间的静电排斥力的屏蔽通过ζ电位从‑
8.1mV降低到‑0.1mV来显示。结果表明油墨的稳定分散是可靠印刷的关键要求。

[0019] 可以通过改变印刷参数(例如油墨浓度和施加的脉冲长度)来随意控制印刷纳米金刚石的数量。图2H呈现了纳米金刚石数量对油墨浓度的依赖性，其通过具有360V的电压和20ms的长度的恒定电脉冲来印刷。根据印刷纳米金刚石簇的FE‑SEM图像(图2H，图像a‑c)和从4μg/mL、2μg/mL到1μg/mL的不同油墨浓度下的数量分布直方图(图2I)可以清楚地看出，油墨稀释减少了每印刷斑点的纳米金刚石数量。在4μg/mL、2μg/mL和1μg/mL下，统计平均颗粒数量分别为16.34±4.73、9.92±3.62和5.02±2.39(图2J)。

[0020] 通过缩短电脉冲长度来实现印刷纳米金刚石数量的进一步减少。图3A‑图3D中的FE‑SEM图像示出了使用1μg/mL油墨(电压幅度：360V)，随着脉冲长度从20ms、15ms、10ms缩短到5ms，每印刷斑点的纳米金刚石数量的减少。图3E示出了随着脉冲长度缩短，相应的数量分布直方图偏移以减小并变窄。每印刷斑点的纳米金刚石数量的统计平均值在20ms、15ms、10ms和5ms处分别为5.02±2.39、4.42±2.69、3.12±1.55和1.86±1.55(图3F)。超过
38％的印刷斑点仅用含有单个纳米金刚石的5ms脉冲就能实现，表明本发明的按需印刷能够实现单颗粒水平控制。这种控制方法与喷墨量对电脉冲长度的依赖性相关联。图3G绘制
0.37±0
了印刷斑点半径r对脉冲长度t的函数依赖关系，对应于r(t)＝Kt .01，其中K是比例常数。增长指数为0.37±0.01，与1/3相似，意味着在该实验中在恒定电压下的恒定流速。用
20ms脉冲实现的印刷簇的平均半径测量为289.8±68.9nm，表明亚波长发射斑点尺寸。

[0021] 为了证明量子级按需印刷，进行了Hanbury‑Brown和Twiss(HBT)测量，并分析了强(2) (2)度‑时间轨迹以推导出532nm激光激发下的二阶相关函数g (τ)。分析g (0)使得能够根据(2)
g (0)＝1‑(1/m)对印刷斑点中NV色心的数量进行计数，其中m表示量子发射器的数量。
[26]图4A显示了通过将电压幅度为360V、长度为5ms的电脉冲施加到1μg/ml 40nm的纳米金刚石油墨(1～4个NV色心/颗粒，74％荧光颗粒)上，印刷在玻璃基板上的纳米金刚石的5×5阵列的共焦荧光图像。所选择的印刷条件可递送每斑点1.86±1.55个纳米金刚石，如结合(2) (2)
图3所论述。荧光信号显示NV色心的存在。图4B绘制了相应的g (τ)。测量的g (0)给出了印刷NV色心的数量的统计结果(图4C)：40％的印刷斑点包含1～4个NV色心(4％的印刷斑点仅包含1个NV色心)，16％的印刷斑点包含5～8个NV色心，并且8％的印刷斑点包含多于8个NV色心。由于缺乏NV色心，由此从36％的印刷斑点没有观察到荧光信号，其比率与纳米金刚石油墨的统计数据相似。此外，可以观察到印刷NV色心纳米金刚石的光学检测磁共振(ODMR)信号。在没有外部磁场的情况下，观察到的约2.87GHz的谐振频率对应于NV色心的零分裂(图4D)。结果证明了本发明通过单步过程直接在基板上印刷少量NV色心的能力。

[0022] 本发明的无掩模开放纳米流体技术使得能够以任意图案按需放置NV色心纳米金刚石。图5A和图5B示出了印刷在玻璃基板上的具有“HKU”形状的示例性纳米金刚石图案。图5A中的FE‑SEM图像示出了由间距为3μm且位置精度<127nm的纳米金刚石簇斑点组成的印刷图案。相应的荧光图像(图5B)确认图案中的所有斑点都含有NV色心。尽管仅示出了几个简单的示例，但是该方法可以直接印刷由量子发射器组成的各种图案。

[0023] 本发明是允许随意放置NV色心纳米金刚石的直接纳米级EHD印刷过程。通过全面表征印刷条件，已经证明了对印刷NV色心的数量和位置的按需控制。结果，印刷品已经达到量子水平。该方法简单且通用，且因此可扩展用于印刷具有不同尺寸、缺陷密度及种类(例如，SiV色心)的各种纳米金刚石。此外，这种无光刻方法降低了将固态量子元件集成到各种纳米光子量子电路中的技术障碍。

[0024] 实验

[0025] 制备：使用40‑nm荧光NV色心纳米金刚石悬浮液(羧基化的，1～4个NV色心/颗粒，在去离子水中0.1wt％，购自Adámas Nanotechnologies)。通过将纳米金刚石悬浮液在去离子水中稀释1000倍并添加0.1wt％的TX100(Sigma Aldrich)以调节表面张力来制备印刷油墨。为了制备印刷喷嘴，通过程序化热拉过程(P‑97Flaming/Brown Micropipette Puller，Sutter Instrument)制造直径为800nm的硼硅酸盐玻璃纳米移液器。通过在超声处理下用丙酮、异丙醇和去离子水各自冲洗5分钟，然后通过O2等离子体处理5分钟来清洁制备的纳米移液器、硅基板和玻璃基板。

[0026] EHD印刷：印刷机装置由印刷机头和平台组成。印刷头配置有保持在三轴平移台中的玻璃纳米移液器，并且平台由具有50nm精度的三轴步进电动台(XA05A、ZA05A、Kohzu Precision)、放置在台上作为背电极的氧化铟锡(ITO)涂覆的玻璃板和背电极上的基板组成。在EHD印刷期间，将移液器‑基板间隙固定到5μm，并使用具有放大器(AMJ‑2B10，Matsusada Precision Inc)的脉冲发生器(NI USB‑6212，National Instruments)将电压幅度为360V且长度范围为4s至5ms的编程电脉冲施加到背电极。通过使用由长工作距离物镜(50×，0.55NA，Mitutoyo Plan Apo)和CCD相机(DCC1545M，Thorlabs)组成的侧视光学显微镜实时监测整个EHD印刷过程。在定制的环境外壳内通过质量流量控制器(SLA5800，brooks instrument)在受控的相对湿度和受控的温度下进行印刷。

[0027] 光学表征：使用由油浸物镜(NA1.45UPLXAPO100XO)、连续532nm激光(在实验期间使用300μW激光功率)、λ＝647nm长通边缘滤光器(BLP01‑647R‑25)及两个单光子计数模块(SPCM‑AQRH‑16‑FC，Excelitas Technologies)组成的定制共焦激光扫描显微镜进行来自印刷纳米金刚石的NV色心荧光的表征。进行HBT实验以表征嵌入的NV色心的数量。发射由50/50光纤耦合器划分，并由两个单光子计数模块收集，以获得时间延迟的二阶相关函数。
通过以0.1s的曝光时间测量来自NV色心的荧光强度来进行ODMR测量(从2.84GHz‑2.90GHz，步长为2MHz)。

[0028] 材料表征：通过FE‑SEM(Sigma 300，Zeiss)表征印刷结构的外部。通过Nanotrac Wave(JUSTNANO)测量颗粒尺寸和ζ电位。Nanotrac Wave中的动态光散射模块用于确定颗粒尺寸。Nanotrac Wave FLEX软件通过应用Smoluchowski方程处理电泳迁移率数据，并将结果用于确定ζ电位。

[0029] 参考文献

[0030] 本申请中引用的参考文献通过引用整体并入本文，参考文献如下：

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[0056] [26]R.Loudon,The quantum theory of light,OUP Oxford,2000.

[0057] 虽然关于某些实施方式解释了本发明，但是应当理解，在阅读说明书后，其各种修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，应当理解，本文公开的发明旨在覆盖落入所附权利要求范围内的这些修改。