隨著量子計(jì)算和量子傳感平臺(tái)的成熟，承載量子位的材料（例如金剛石）的表面化學(xué)是一個(gè)重要的探索途徑。將金剛石（特別是納米級(jí)金剛石（ND））與二氧化硅連接是將室溫量子比特集成到具有靈活功能化化學(xué)的光子器件、光纖、細(xì)胞或組織中的潛在途徑。

       來(lái)自圣何塞州立大學(xué) (SJSU) 的研究人員描述了金剛石上二氧化硅鍵形成的表面化學(xué)，并使用 X 射線吸收光譜 (XAS) 來(lái)探測(cè)金剛石表面化學(xué)及其隨二氧化硅厚度增加的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)研究稱金剛石表面的醇化學(xué)基團(tuán)有助于形成有效均勻的二氧化硅殼，可以幫助他們制造更好的二氧化硅涂層納米金剛石。相關(guān)研究成果以“Quantum Diamonds at the Beach: Chemical Insights into Silica Growth on Nanoscale Diamond using Multimodal Characterization and Simulation”為題發(fā)表在《ACS Publications》上。

       研究人員通過(guò)改進(jìn)的St?ber方法，在富含羧酸的ND核心上合成了2-35納米厚的SiO2殼層。通過(guò)電子顯微鏡等重疊技術(shù)對(duì)金剛石形態(tài)、表面和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)在羧酸化的ND上生長(zhǎng)SiO2會(huì)消除羧酸的存在，而堿性乙醇溶液會(huì)在SiO2生長(zhǎng)之前將ND表面轉(zhuǎn)化為富含醇的表面。

       該研究首次觀察到SiO2厚度對(duì)金剛石電子結(jié)構(gòu)的抑制作用，并計(jì)算出最大的探測(cè)深度約為14納米。此外，由過(guò)渡邊緣傳感器產(chǎn)生的共振非彈性X射線散射（RIXS）圖強(qiáng)化了XAS提供的化學(xué)分析。使用金剛石或高壓高溫（HPHT）ND以及其他異質(zhì)材料（如碳化硅或立方氮化硼）進(jìn)行量子感測(cè)應(yīng)用的研究人員可以利用這些結(jié)果，通過(guò)表面醇基團(tuán)形成共價(jià)鍵，設(shè)計(jì)新的分層或核殼量子傳感器。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 顯示了在類似于St?ber方法的堿催化反應(yīng)中使用原硅酸四乙酯生長(zhǎng)二氧化硅。

圖2. HPHT ND 核上二氧化硅的厚度由反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短控制，并且增加的生長(zhǎng)形成厚度約為 20 nm 的近球形 ND-SiO2 。

圖3. XAS 光譜被發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)金剛石電子結(jié)構(gòu)的減少有效地跟蹤二氧化硅的生長(zhǎng)，并且由于產(chǎn)生樣品電流的非彈性俄歇電子而呈指數(shù)減少。

圖4. SESSA 模擬定性地支持了殼層厚度增加的 ND-SiO2樣品的實(shí)驗(yàn) TEY 數(shù)據(jù)

圖5. ND-SiO2樣品的 XAS 光譜證實(shí)了各種分子的成功修飾、二氧化硅生長(zhǎng)后羧酸鹽特征的去除以及金剛石結(jié)合與分子羧酸鹽之間的區(qū)別。

       總結(jié)

       研究人員發(fā)現(xiàn)，在高度純化的 HPHT ND 上生長(zhǎng) 2–35 nm SiO2殼可以抑制金剛石核的底層電子結(jié)構(gòu)，探測(cè)深度約為15 nm。SiO2的生長(zhǎng)機(jī)制是由金剛石表面的醇驅(qū)動(dòng)的，其中羥基化發(fā)生在堿性 乙醇溶液中，而脫羧反應(yīng)在SiO2生長(zhǎng)反應(yīng)過(guò)程中普遍存在。HRTEM 和 EDS 用于確認(rèn)平均 SiO2殼層厚度，并且在 TEY 模式下獲取的 C1s XAS 數(shù)據(jù)允許由于 245-270 eV 俄歇電子產(chǎn)生的非彈性二次電子級(jí)聯(lián)檢測(cè)到水下金剛石。表面功能化ND-SiO 2的XAS譜收集疊氮化物、胺、氟和其他表面部分的樣品，以證明SiO2表面的化學(xué)靈活性，用于使用 NV 中心 ND 進(jìn)行生物標(biāo)記和生物傳感應(yīng)用。由于豐富的醇基團(tuán)，SiO2在金剛石表面上生長(zhǎng)是均勻的，因此該工作應(yīng)該會(huì)激發(fā)新的金剛石-金屬氧化物核-殼納米結(jié)構(gòu)的探索，用于量子傳感和生物標(biāo)記應(yīng)用。

原文：https://doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.3c00033