Optimized, versatile diamond-based sensors : materials, fabrication and novel applications

Abstract

Quantum sensing as one of the backbones of the second quantum revolution is about to enable a variety of novel applications requiring good spatial resolution and sensitivity. The atomic-sized, negatively charged nitrogen vacancy (NV) color center in single crystal diamond was found to enable magnetic field sensing at the nanoscale. Magnetic sensing using NV centers is enabled by bright photostable emission and optically addressable spin states. Due to its extraordinary coherence time, sensitivities of few nT\Hz^(1/2) can be achieved under ambient conditions. To enhance the spatial resolution of NV-based sensing, it is necessary to approach the NV center to a sample to investigate. Here, a challenging nanofabrication procedure is needed to sculpt the diamond into a photonic nanostructure usable as a scanning probe tip. In this thesis, we report on the progress towards optimizing the applicability of NV centers as quantum sensors. We investigate novel material systems promising for upscaling nanofabrication. By introducing a novel approach to enhance the adhesion of etch masks and novel plasma treatments, we optimize the reliability of the nanofabrication procedure. In addition, we study a novel near-field interaction-based sensing resource. By investigating the interaction of shallow NV centers with a monolayer of WSe2, we were able to show simultaneous near-field and magnetic field sensing using the NV center.

Als eine der Säulen der zweiten Quanten-Revolution ermöglicht die Quantensensorik viele neue Anwendungen, die eine gute Ortsau ösung und Sensitivität benötigen. Das atomar kleine, negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen (NV) Farbzentrum in einkristallinem Diamant ermöglicht das Detektieren von Magnetfeldern auf Nanomaÿstäben. Magnetfelddetektion mittels NV Zentren wird durch helle, photostabile Emission und optisch adressierbare Spin-Zustände ermöglicht. Aufgrund seiner auÿergewöhnlichen Kohärenzzeit erreicht es Sensitivitäten von einigen nT/Hz^(1/2) unter Umgebungsbedingungen. Zur Verbesserung der Ortsauflösung NV-basierter Sensorik, muss das NV-Zentrum an die zu untersuchende Probe angenähert werden. Dies erfordert einen herausfordernden Nanfabrikationsprozess, um den Diamanten in eine photonische Struktur zu formen, die als Rastersonde nutzbar ist. Diese Arbeit beschreibt Fortschritte zur Optimierung der Anwendbarkeit von NV-Zentren als Quantensensoren. Wir untersuchen neuartige Materialien, die vielversprechend für die Skalierbarkeit des Prozesses sind. Durch neue Ansätze zur Verbesserung der Adhäsion von Ätzmasken und neue Plasmabehandlungen optimieren wir die Zuverlässigkeit der Nanofabrikation. Zudem analysieren wir einen neuen, auf Nahfeldwechselwirkung beruhenden Sensorikansatz. Bei der Untersuchung der Wechselwirkung von oberflächennahen NV-Zentren mit monolagigem WSe2 konnten wir das gleichzeitige Erfassen von Nah- und magnetischen Feldern mittels NV-Zentren zeigen.