近年來，納米級光學測溫技術取得了顯著進展，尤其在材料科學、生物光子學和半導體工程領域。這些技術在微小尺度上提供了高靈敏度的溫度測量，對于研究和應用至關重要。傳統熱傳感器如量子點、熒光染料和納米粒子等相繼被研究和關注，其中固體中的量子缺陷尤其值得注意，例如納米金剛石中的氮空位（NV）色心和矽空位（SiV）色心。它們的吸引力包括其堅固性、生物相容性和寬工作溫度範圍，即使在惡劣的環境條件下也能保持性能。然而，這些傳感器通常依賴于複雜的光探測磁共振（ODMR）或零聲子線（ZPL）的光子分析方法。ODMR方法面臨微波引起的加熱問題和磁場噪聲的幹擾，而ZPL方法需要頻譜分析，限制了其測量速度和溫度分辨率。這些局限性促使研究人員探索更簡便、高效的測溫方法，以滿足快速發展的技術需求。
近日，哈爾濱工業大學（深圳）宋清海、周宇教授團隊，提出一種基于碳化矽中量子缺陷的新型納米級全光測溫方法，該方法通過測量反斯托克斯和斯托克斯發射的強度比，實作了實時高靈敏度(1.06%K-1)的溫度傳感。憑借 SiC 固有的 CMOS 工藝相容性，這種測溫技術有望直接內建到半導體晶片中，實作更廣泛的工業應用。該研究成果以“All-optical nanoscale thermometry with silicon carbide color centers”為題于2024年7月26日線上發表在Photonics Research上。
色心是固體晶格結構中的缺陷形成的發光體，通常涉及缺失原子或替代電子結構的類原子缺陷。如圖1a所示，在4H碳化矽晶格中，失去一個矽原子形成矽空位VSi，失去一個矽和一個碳原子形成雙空位VV0。雙空位中心的零聲子線（ZPL）發射範圍通常為1038 nm至1133 nm。矽空位和雙空位的最佳激發波長分别為780 nm和920 nm。這種雷射光子能量超過熒光能量的激發被稱為斯托克斯激發。相反，當激發光子能量小于能級時，就會發生反斯托克斯激發。在聲子的幫助下，矽空位在反斯托克斯激發下以比吸收的光子更高的頻率發射熒光。
圖1 4H-SiC 中兩種色心的反斯托克斯和斯托克斯熒光的表征。 (a) 能級示意圖：采用 980 nm 雷射同時激發矽空位和雙空位。能級圖描繪了反斯托克斯和斯托克斯發射期間的聲子吸收和發射過程。 (b) 光學設定圖：來自VSi 空位和雙空位VV0的熒光被分束器分成兩個通道，随後由 SNSPD 和 APD 進行後過濾收集。 (c) 反斯托克斯和斯托克斯熒光光譜 (d) 自旋微波操縱裝置圖 (e) 反斯托克斯激發下矽空位中心的ODMR光譜。 (f) PL5 和PL6 在磁場0-30 高斯變化下的 ODMR 譜。
在這項工作中，作者使用能夠同時激發4H-SiC矽空位（反斯托克斯熒光）和雙空位（斯托克斯熒光）的980 nm連續波雷射，提出了一種實時溫度傳感的實驗方案。斯托克斯激發下的雙空位中心和反斯托克斯激發下的矽空位缺陷的激發過程涉及的能級如圖1a所示。黃色箭頭表示光激發。對于正常的斯托克斯激發，發射光子的能量小于激發雷射的能量，在室溫下聲子邊帶發射通常占主導地位。相反，對于矽空位中心的反斯托克斯激發，雷射能量的光子能量小于躍遷，需要聲子吸收。由于聲子密度與溫度密切相關，溫度升高會導緻聲子密度升高，進而促進反斯托克斯發射。是以，反斯托克斯的熒光強度與溫度間存在對應關系，這是作者能夠進行溫度測量的基本機制。文章中的樣品是未加工的4H-SiC襯底（半絕緣碳化矽襯底）。矽空位和雙空位系綜存在于樣品中的各處，是以可以随機選擇雷射的激發位置。為了表征兩種類型的固有色心，作者使用室溫自制共焦顯微鏡系統（圖1b）測量熒光。圖1c顯示了室溫下980 nm雷射激發的兩種色心的光譜。由于室溫下電子與周圍聲子之間的互相作用，光譜表現出一定程度的展寬，即聲子邊帶。作者使用圖 1(d) 中的裝置對矽空位和雙空位進行了 ODMR測量；對于矽空位的反斯托克斯激發，在 70 MHz 左右得到了預期峰值（圖 1e）。對于斯托克斯激勵，由于 PL5 和 PL6 是混合的，作者施加了 0 到 30 高斯的 c 軸磁場，PL6 的峰值以每高斯 2.8 MHz 的斜率發散，而 PL5 峰值則表現彎曲行為，與文獻中的資料印證。
在圖2中，作者展示了他們變溫裝置的示意圖和照片。作者采用單級TEC元件加熱樣品并均勻控制加熱速率，将樣品附着到陶瓷片上，并向TEC子產品施加電壓傳遞熱量，進而改變樣品的溫度。樣品上附加的溫度傳感器幫助監測溫度，便于調整施加的電壓。在實驗中，作者将電壓從0V增加到10V，将溫度提高到大約500K。作者使用1 mW的980nm雷射（功率密度為200 kW/cm²）激發4H-SiC樣品，将溫度從296K升高到463K，并測量矽空位中心和雙空位中心熒光強度随溫度的變化，以及反斯托克斯熒光與斯托克斯熒光的強度比。圖2b顯示了矽空位中心反斯托克斯激發下溫度依賴性熒光曲線的拟合。結果表明反斯托克斯熒光強度對溫度呈指數依賴性。圖2c顯示了斯托克斯發射強度随溫度的變化，呈下降趨勢。最後作者選擇反斯托克斯發射與斯托克斯發射的比率來進行溫度傳感。圖2d說明了反斯托克斯熒光強度與斯托克斯熒光強度之比随溫度變化的拟合情況，這一比率對溫度的高度依賴性是該工作進行溫度傳感的基本原理。
圖2 反斯托克斯和斯托克斯熒光的表征。(a) 裝置示意圖以及變溫裝置的照片。碳化矽樣品附着在陶瓷上通過向 TEC 子產品施加電壓來加熱。(b) 碳化矽矽空位的反斯托克斯熒光溫度依賴性。每個資料點的收集時間超過 20 分鐘的時間間隔，以 50 毫秒的間隔進行測量，誤差代表這些測量值的标準偏差。(c) 斯托克斯熒光随溫度的變化。(d) 反斯托克斯與斯托克斯熒光計數比率的溫度依賴性。
該研究通過展示一種新型的碳化矽中的量子缺陷的全光學溫度傳感技術。該方法利用色心的反斯托克斯發射和斯托克斯發射之間的強度比，提供具有高靈敏度(1.06%K-1)和空間分辨率的實時溫度測量。同時克服了傳統基于缺陷的雙雷射激發、引入微波、複雜光譜分析的測溫局限性，為将光學測溫技術內建到半導體制造中提供了思路。
哈爾濱工業大學（深圳）碩士生劉成穎，博士生胡海搏為論文的共同第一作者，哈爾濱工業大學（深圳）周宇教授和宋清海教授，四川大學王俊峰教授為論文共同通訊作者，哈爾濱工業大學（深圳）為第一通訊機關。該研究得到了科技部重點研發計劃，國家自然科學基金，廣東省量子科學戰略專項，廣東省自然科學基金，深圳市科創委基礎研究項目的支援。
論文資訊：
Chengying Liu, Haibo Hu, Zhengtong Liu, Shumin Xiao, Junfeng Wang, Yu Zhou, Qinghai Song. All-optical nanoscale thermometry with silicon carbide color centers[J]. Photonics Research, 2024, 12(8):1696
https://www.researching.cn/Articles/OJ593e27c07eed4424