2023 Fiscal Year Annual Research Report
超高真空・極低温下で動作する走査ダイヤモンドNV中心プローブの開発
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21K04878
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
林 都隆 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 研究員 (60836857)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 走査プローブ顕微鏡 / ダイヤモンドNV中心 / 局所磁場計測・イメージング / 超高真空・極低温 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに開発した原子間力顕微鏡(AFM)機構とFPGA統合コントローラ及びLabVIEWによる制御プログラム、超高真空・極低温下で動作可能な搬送型の走査ダイヤモンドNV(窒素―空孔複合体)中心プローブとマイクロ波印加が可能な搬送型試料ホルダー機構を用いて、先ず、室温・大気中にて磁気構造イメージングの分解能向上と評価に取り組んだ。
異なる2種のダイヤモンドを水晶振動子型のAFMプローブとして動作するタングステン線の先端に取り付けて、走査ダイヤモンドNV中心プローブとして応用した。一つは、Orbray社（旧・アダマンド並木精密宝石）提供の直径約4μm、長さ数百μmのダイヤモンドピラーに窒素イオン注入と加熱処理によってNV中心を生成した後、集束イオンビーム(FIB)加工により先端径を約１μmに先鋭化し使用した。もう一つは、NV中心を含有する幅約4 μm、長さ約12 μmの楔形状のダイヤモンド片を使用した。このダイヤモンド片は元よりNV中心を含有していること、先端部の直径が500 nm 以下であることから、NV中心プローブの制作工程を大幅に簡略化した。
実際の測定は長時間を要するため、熱ドリフトの影響を補正するレーザー位置トラッキング制御のためのガルバノミラー機構を整備した。
観察する試料にはガリウムヒ素基板上に作製したコバルト鉄（CoFe）薄膜のマイクロメートルスケールの島構造（膜厚50及び140 nm）を静磁場（100 mT）中に置き、面内方向に磁化させて用いた。AFM制御によりトポグラフ像を取得しながらNV中心からの光学的磁気共鳴（ODMR）スペクトルをマッピングし、磁気構造の空間分布に依存した漏洩磁場による磁気イメージングに成功した。この際、試料基板背面に磁石を配置して試料面に対し垂直方向に磁場を印加してゼーマン分裂により複数のODMRが分離した状態で計測を行った。
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