Nature Communications-小小钻石就能使纳米技术前进一大步

控制钻石、光电子或者宽带电浆纳米结构中氮-空位中心相互作用的能力，对于发展具有最佳性能的固态量子设备来说至关重要。现有技术通常都是采用自上而下的纳米加工技术，然而，这种加工方法限制了氮-空位中心的可伸缩和可行性操作。

日前，来自美国马里兰大学的研究人员开发了一种自下而上的方法，用其加工新兴的一类纳米钻石基混合纳米结构，该结构具有电子浆纳米颗粒或激子量子点等外部功能单元。研究人员已经能够精确控制该结构包括尺寸、成分、覆盖范围以及外部功能单元在内的参数，这为探寻其内在物理机制做好了铺垫。此外，通过结构调整实现对放射特性的精细调控，已经在单个颗粒的优化研究中得到了证明。

该研究丰富了定性量子发射器的方法，对于使用独立式混合纳米结构作为建筑模块的氮-空位中心设备，该研究促进了设计大纲的制定。

【图文导读】

图1 一般混合纳米金刚石金属纳米颗粒的合成过程

（a）不同生长阶段合成过程示意图（S1-S6）. S1：纯的纳米金刚石（ND）；S2：用含有羧酸基团酸处理的ND；S3：含有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分子的ND；S4：金属离子固定在ND表面：S5：金属纳米粒子在ND表面成核；S6：金属纳米粒子在ND表面生长.

（b）TEM图显示通过（a）合成的混合ND-Ag纳米颗粒非常均匀的分散，比例尺：200nm.

图2 混合ND-Ag纳米结构中对银纳米颗粒覆盖范围和尺寸的精细控制

（a-f）相同表面覆盖（0.016±0.002/nm²）银纳米颗粒尺寸的控制. a，b，c，d，e和f分别为三个样品尺寸演化的单个混合纳米结构和它们对应尺寸分布直方图的TEM图，比例尺：50nm，红线为直方图的高斯拟曲线.

（g-l）相同尺寸（8.6±1.1nm）Ag纳米颗粒表面覆盖的控制. 对于三个不同样品在ND表面Ag纳米颗粒表面覆盖的控制，g，h，i，j，k，和l展示了单个混合纳米结构和它们对应表面覆盖直方分析图的TEM图，TEM的比例尺：50nm，红线为直方图高斯拟合曲线.

图3 基于混合ND纳米结构中表面功能单元的成分调控

（a）将ND表面的Ag纳米颗粒转换成不同功能单元的两个化学转换过程示意图. 方法1:通过电替代机制形成金属纳米颗粒 （M）；方法2：通过离子交换机制形成半导体量子点（MX），X代表硫族元素.

（b-c）比率x可调的混合ND-Au_1-xAg_x纳米结构，（b）典型的TEM大范围图，比例尺为500nm，插图展示了单个混合纳米颗粒电链反应的结构特性，比例尺为50nm；（c）不同x的EDS图谱演化，高分辨率控制混合纳米结构中金属纳米颗粒的成分，垂直的绿色线和红色虚线分别指示Ag和Au的特征峰.

（d-g）拥有单晶CdSe量子点的混合ND-CdSe纳米结构. （d）典型的TEM大范围图，比例尺为500nm；（e）单个混合纳米结构的典型TEM图；（f）在ND和CdSe界面处突出晶格不匹配高分辨率TEM，实心黄线和绿线分别强调ND和CdSe晶格取向，黄色和绿色虚线分别强调ND和CdSe量子点界面，比例尺：5nm；（g）ND-CdSe生长过程中EDS的演化图，蓝色： ND–Ag；绿色：ND–Ag2Se；红线：ND–CdSe；垂直亮绿色、粉红色、橙色虚线分别指示Ag、Se和Cd元素峰的特性.

图4 混合ND-SiO2-Ag纳米结构中SiO2隔片以可控厚度生长

（a）ND-SiO2壳体典型大范围TEM图像，SiO2壳的平均厚度为14.8nm，比例尺为200nm.

（b）单个ND-SiO2纳米结构对应的高分辨率TEM图，黄色虚线强调ND与SiO2壳之间的界面，比例尺为50nm.

（c-g）厚度分别为3.0，7.5，12.2，35.3和90.1nm的单个ND-SiO2壳TEM图，黄色虚线强调ND与SiO2壳之间的界面，比例尺 为50nm.

（h）混合ND-SiO2-Ag纳米结构的典型大范围TEM图，比例尺为200nm.

（i）单个混合纳米结构对应的高分辨率TEM图，黄色虚线强调ND与SiO2壳之间的界面，比例尺为50nm.

图5 由5nm Ag纳米颗粒组成的混合ND-Ag纳米结构中电子浆-氮-空位（NV）的耦合

（a）混合ND-Ag纳米结构二维荧光图，比例尺为10um.

（b）纯ND（圆圈）与混合ND-Ag纳米结构（方框）典型的自相关（g⁽²⁾(τ)）曲线，红色实线与蓝色曲线分别为ND、ND-Ag数据的双指数衰退的拟和曲线，两个的数据均来在含有6个NV中心的NDs.

图6 不同混合ND-金属纳米结构中修正电子浆-NV耦合

（a）NV中心的荧光寿命依赖混合ND-Ag纳米结构（对应图2中图a-f）中Ag纳米粒子的尺寸. 蓝绿色：纯的ND；绿色：ND- Ag（2.6nm）；橙色：ND-Ag（4.1nm）；红色：ND-Ag（6.0nm），所有ND-Ag混合纳米结构表面覆盖有相同的Ag（0.004个/nm²）.

（b）NV中心的荧光寿命依赖混合ND-Ag纳米结构（对应图2中图g-l）中Ag纳米颗粒的覆盖. 蓝绿色：纯的ND；绿色：0.002个/nm²；橙色：0.012个/nm²；红色：0.195个/nm²，所有ND-Ag混合纳米结构中Ag的平均尺寸为4.5nm.

（c）NV中心的荧光寿命依赖混合ND基纳米结构（对应图3中图c）中金属纳米粒子的成分. 蓝绿色：纯的ND；深黄色：ND– Au；粉红色：ND–Ag. ND–Au与ND–Ag混合纳米结构的表面覆盖密度均为0.008个/nm².

文献链接：Nanodiamond-based nanostructures for coupling nitrogen-vacancy centres to metal nanoparticles and semiconductor quantum dots