ダイヤモンド結晶をシリコン振動子上に固定した微小機械応力センシングを開発：研究開発の最前線

東北大学は、ナノメートルサイズのダイヤモンド結晶をシリコン製振動子上に固定し、その振動子の様子をダイヤモンドの光検出磁気共鳴で計測する技術を開発した。

[MONOist]

　東北大学は2024年8月23日、nmサイズのダイヤモンド（ナノダイヤモンド）結晶をシリコン製振動子上に固定し、その振動子の様子を光検出磁気共鳴（ODMR）法で計測する技術を開発したと発表した。

　同技術は、ダイヤモンド結晶内の窒素−空孔中心（Nitrogen-vacancy center：NVC）を活用した磁気共鳴センシングをベースとしている。シリコン上にナノダイヤモンドの微粒子を噴霧し、二酸化ケイ素（SiO2）スパッタ層でSi表面に固定した片持ち梁型フォースプローブを開発し、磁気共鳴による量子状態の変化から微小機械による応力として検出した。

（左）シリコン製カンチレバーの根元部にナノダイヤモンドを固定して蛍光強度計測する。（右）シリコン表面に分散して点在しているナノダイヤモンドの画像とデバイスの断面図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　微小機械の動的な振動の観測には、ストロボスコープの原理を活用。ダイヤモンドの蛍光強度を計測することで、NVCにかかる圧縮応力や引張応力を計測できる。また、ナノダイヤモンドの結晶軸と静磁場を調整し、ODMRスペクトルのピークシフトとカンチレバーの振動による応力強度との相関を分析した。

　その結果、ODMRスペクトルのピークシフトが、シリコン製片持ち梁の振動による表面応力を有効に検出可能なことが判明した。上下振動だけでなく、ねじり振動でもピークシフトが得られ、多軸の軸方向の応力検出が可能であることが分かった。

ダイヤモンド結晶軸とバイアス磁場の軸合わせをした場合のODMRスペクトル。縦軸PLが蛍光強度を示す 出所：東北大学

光検出磁気共鳴の2850Hz近傍のディップピークのシフトの様子。縦軸PLが蛍光強度を示す 出所：東北大学

　ダイヤモンドは量子センサーとして応用されているが、量子状態を読み書きできる量子情報の担体としても期待されている。今後、加工したダイヤモンド単結晶による機械振動を効率的に計測できれば、結晶内の量子状態と機械振動を接合させ、繊細な量子状態の変化をダイレクトにセンシングする高効率なスタンドアローン型「量子×電気機械」デバイスの開発につながるとしている。

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