BMBF-Projekt DiaNanoRa: Diamant Nanorastersonden für neuartige Abbildungen in den Lebenswissenschaften

Verunreinigungen in Diamant als Sensoren

Ein Stickstoff-Atom ersetzt ein Kohlenstoffatom und bildet mit einer Fehlstelle das NV Zentrum.

 

 

Atomare Verunreinigungen in Diamant, sog. Farbzentren, sind „künstliche Atome“: im Festkörper gefangen absorbieren und emittieren sie Licht ähnlich wie Atome. Gebundene Elektronen sorgen für magnetische Momente (Spins), die Farbzentren sind über lange Zeit stabil und können bei Raumtemperatur verwendet werden. Ihre Lichtemission ist so intensiv, dass einzelne Zentren in konfokaler Laser-Fluoreszenzmikroskopie sichtbar sind.  Das bekannteste Farbzentrum ist das sog. NV (nitrogen vacancy) Zentrum, das aus einem Stickstoff-Atom und einer Fehlstelle im Kohlenstoff Gitter des Diamanten besteht (siehe Abbildung).

Farbzentren sind vielseitige Sensoren: Ihre Elektronenspins reagieren empfindlich auf Magnetfelder, der Zustand des Elektronenspins kann für NV Zentren optisch, d.h. über die Lichtemission des Zentrums ausgelesen werden. Die Anwesenheit von z.B. Farbstoff Molekülen oder anderen Arten von Dipolen (z.B. Graphen) in der unmittelbaren Umgebung (<50 nm) führt zur Veränderung der Lichtemission über Nahfeld-Energietransfer (Lebensdaueränderung).  

Auf Grund ihrer sub-Nanometer Ausdehnung (atomare Größe), können Farbzentren für sehr hochauflösende Abbildungen (bis zu Nanometer Auflösung) eingesetzt werden, da die Größe des Sensors die Auflösung nicht limitiert. Allerdings muss das Farbzentren sehr nahe an die zu untersuchende Probe gebracht werden um eine hohe Auflösung zu erreichen.

 

Literatur:

Erste Beobachtung einzelnes NV: C. Kurtsiefer et al  Phys. Rev. Lett.,  85, 290-293 (2000), Link zum paper

 

Review Magnetic Sensing mit NV Zentren: L. Rondin et al Rep. Prog. Phys. 77 056503 (2014) Link zum paper 

 

Nahfeldwechselwirkung NVs: J. Tisler et al ACS Nano 10 7893 (2011) Link zum paper

Diamant Rastersonden für die Lebenswissenschaften

Schematische Darstellung einer Rastersonde aus Nanodraht und Haltplattform. Rasterelektronenmiskoskopaufnahme eines Feldes aus Diamantnanodrähten.

Um das volle Potential von Diamant-Farbzentren im Nano-Imaging auszuschöpfen, bringen wir die Farbzentren in Rastersonden aus einkristallinem Diamant ein. Eine solche Rastersonde besteht aus einem 2 µm langen Diamant-Nanodraht (Nanowire, 200 nm Durchmesser) auf einer Halteplattform (siehe Abbildung). Farbzentren werden gezielt nahe der Endfacette des Nanodrahts erzeugt z.B. durch Implantation von Ionen. So kann das Farbzentrum nahe an die Probe gebracht werden, der Nanodraht ermöglicht es die Lichtemission des Farbzentrums effizient zu kanalisieren und durch entsprechende Optiken zu sammeln. Die Strukturen werden durch Nanofabrikation in hochreinen, synthetischen Diamanten gefertigt und dann in einem kombinierten Aufbau aus Rasterkraftmikroskop und konfokalem Mikroskop eingesetzt.  Durch den Einsatz eines Rasterkraftmikroskops kann die Sonde sehr nahe bzw. in Kontakt mit der Probe verfahren werden. Die Technik wird in den Materialwissenschaften und der Physik bereits vielseitig eingesetzt. In den Lebenswissenschaften sind Farbzentren vielversprechende, neuartige Sensoren für elektrische Ströme und Nahfelder von Molekülen.

Literatur:

 

Erste Realisierung einkristalliner Diamant-Rastersonden: P. Maletinsky et al Nature Nanotechn. 7, 320 (2012) Link zum paper

 

Rastersondenabbildung mit Nahfeldtransfer J. Tisler et al., Nanoletter 7, 3152 (2013) Link zum paper

 

Diamant Nanodrähte E. Neu et al. Appl. Phys. Lett. 104, 153108 (2014) Link zum paper

 

NV Sensing der Biologie: L.T. Hall et al. MRS Bulletin 38, 162 (2014) Link zum paper

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