雙螺線圈射頻共振結構增強硅空位自旋傳感靈敏度方法*

張文杰 劉郁松 郭浩? 韓星程 蔡安江李圣昆 趙鵬飛 劉俊

1) (中北大學, 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室, 太原 030051)

2) (西安建筑科技大學機電工程學院, 西安 710311)

3) (陜西省納米材料與技術重點實驗室, 西安 710311)

針對硅空位自旋磁共振信號射頻場非均勻展寬問題, 提出并設計了一種雙螺線圈射頻共振結構, 利用雙螺線圈平行對稱特性, 構建射頻場均勻區, 非均勻性小于0.9%, 相比單根直線性結構, 均勻性提高了56.889 倍. 同時, 利用射頻信號近距離互感耦合共振特性, 實現了射頻場的增強, 相比單線圈結構增強了1.587 倍, 等效的自旋傳感靈敏度提高了4.833 倍. 實驗中搭建基于SiC 硅色心自旋磁共振效應的光探測磁共振傳感測量系統, 通過對比不同類型的射頻天線, 測試得到基于雙螺線圈射頻共振天線結構的硅空位色心自旋磁共振信號對比度提高了6 倍, 通過調制解調信息解算方法得到傳感器的靈敏度提高了4.833 倍, 傳感器噪聲降低了8 倍, 提高了硅空位自旋傳感測量靈敏度, 結合SiC 晶圓芯片制造技術, 為高精度、芯片級自旋量子傳感器件的制造提供了技術支撐.

1 引 言

近年來, 碳化硅硅空位色心自旋量子功能結構, 由于其室溫下自旋相干時間長、光學泵浦與探測方法簡單, 且兼容碳化硅晶圓加工工藝成熟、易于光電器件集成等特性[1?5], 在量子傳感與精密測量、量子計算、量子通信等領域展現出了極為廣闊的應用前景[6?12].

目前, 基于碳化硅硅空位色心自旋量子特性的傳感與測量技術在單光子源、分子扭矩測量、細胞溫度環境監測、磁強計等領域得到了廣泛應用[13?18],且測量精度不斷突破傳統測量技術精度極限, 成為未來固體量子傳感與測量技術發展的主要方向之一[19,20], 然而受限于射頻/微波、激光等功率非均勻展寬與波動噪聲影響, 導致自旋退相干時間短, 測量精度難以達到理論測量極限[21,22].

目前常用的射頻天線結構主要采用單根直導線結構, 該結構的射頻場以直導線為中心向外輻射, 無法構建射頻場均勻區[23]. 而應用于微波領域的微波腔均勻天線結構, 由于射頻信號波長長, 導致均勻天線結構尺寸達到100 cm2, 限制了SiC 自旋功能結構的應用領域[24].

本文針對SiC 基自旋傳感測量技術對射頻均勻場的需求, 提出設計了一種基于雙螺線圈平行對稱結構的射頻共振增強天線結構(簡稱雙螺線圈共 振 天 線double helical coil resonant antenna,DHCRA). 通過仿真模擬計算, 設計的螺線圈結構的中心頻率為70 MHz, 輻射強度為73 A/m, 通過構建雙螺線圈平行對稱結構, 天線的輻射強度增大了1.587 倍, 且均勻區達到π × 375 mm2× 10 mm,相比單根直導線結構均勻性提高了56.889 倍. 最后通過應用到SiC 硅空位色心自旋測量系統中, 得到該結構使得傳感測量靈敏度提升了4.833 倍, 為高靈敏度自旋傳感測量技術提供了技術支撐.

2 天線設計與制造

本文基于對稱偶極子天線理論與單螺旋天線理論, 設計了雙螺線圈平行對稱共振射頻天線結構, 基于理論公式分析計算[25?29], 通過電磁仿真軟件HFSS 進行優化, 最后得到如圖1(a)所示的三維結構, 通過優化線圈的結構尺寸參數得到最優的結構參數如圖1(b)所示.

通過軟件進行磁場仿真, 可以得到在X-Z截面模擬的磁場B示意圖, 如圖2(a)所示. 可以看出磁場B主要集中分布在沿著Z軸方向兩側的均勻區, 因此, 可以將碳化硅色心結構放置在雙螺旋天線兩側的均勻區, 有效降低自旋磁共振效應的非均勻展寬問題. 在圖1(b)的實驗參數基礎上, DHCRA天線的S11參數即回波損耗的電磁仿真結果與實驗測試結果如圖2(b)所示. 經過HFSS 參數化掃描結果分析, 得到最優的回波損耗信號, 本文設計的天線結構在70 MHz 的回波損耗最優可以達到–33 dB. 由于DHCRA 的輻射功率與阻抗有關系,因此, 在DHCRA 之間接入50 Ω 匹配阻抗來提高射頻信號的輻射效率.

通過測試得到諧振頻率實際測試結果與仿真結果相差約5 MHz, 主要原因包括: 1)受限于加工工藝精度, 射頻天線的金屬線條的直徑、線圈長度、線條間隔、線圈整體直徑難以完全與仿真尺寸一致; 2)基材材質的介電常數、電阻率等參數采用理想模型, 與實際有差異; 3)當兩個線圈之間的間隔在0.4—15.0 mm 之間時諧振峰位置基本不變,只影響回波損耗值, 當間距小于0.4 mm, 諧振頻率與線圈間距成反比; 4)測試環境的溫濕度引起的線條熱脹冷縮(通常情況下較小, 可以忽略);5)測試時測量尾線的長度和彎曲形變(可改變尾線的長度和形變來控制螺線圈的諧振頻率).

圖1 (a) DHCRA結構示意圖,紅色部分為碳化硅樣品,黃色部分為天線,綠色部分為碳化硅硅空位色心激發用的紅光730 nm 激光器, 色心發出的光為紅外890—1000 nm; (b) DHCRA 設計參數: 天線銅線線寬d= 0.4 mm, 天線銅線線間距w=0.73 mm, 天線銅線厚度t= 0.035 mm, 雙天線之間的距離s= 10 mm, 輸入接口線寬d1 = 0.67 mm, d2 = 1.2 mmFig. 1. (a) Schematic diagram of double helical coil resonant antenna, the red part is the silicon carbide sample, the yellow part is the antenna, the green part is the red light 730 nm laser used for the excitation of the vacancy color center of silicon carbide silicon,the light emitted by the color center is infrared 890?1000 nm; (b) spiral antenna design parameters: antenna copper wire width d=0.4 mm, antenna copper wire spacing w= 0.73 mm, antenna copper wire thickness t= 0.035 mm, distance between dual antennas s=10 mm, input interface line width d1 = 0.67 mm, d2 = 1.2 mm.

圖2 (a)本文設計的天線結構的X-Z 平面磁場分布圖; (b) DHCRA 結構的S11 仿真結果與測試結果. 插圖為DHCRA 的實物照片Fig. 2. (a) Magnetic field distribution in the X-Z plane of our antenna structure; (b) simulation results and measurement results of the parameter S11 of the DHCRA structure. The inset shows the physical photograph of DHCRA.

圖3 (a) 70 MHz 下X-Z 平面的場強仿真分布圖(圖中的 ε 為非均勻度); (b) 70 MHz 下的X-Y 平面的場強仿真分布圖; (c) 70 MHz下的均勻區(X= 14.86 mm)Z 軸方向場強仿真曲線圖; (d) 70 MHz 下X 軸方向的場強仿真曲線圖Fig. 3. (a) Simulated distribution of the magnetic field in the X-Z plane at 70 MHz (In the figure ε is the non-uniformity); (b) simulated distribution of magnetic field in the X-Y plane at 70 MHz; (c) simulation curve of magnetic field in the X-axis direction at 70 MHz; (d) simulation curve of magnetic field in the Z-axis direction of the uniform zone (X= 14.68 mm) at 70 MHz.

圖3(a)與圖3(b) 為輸入70 MHz 信號時, DHCRA 結構的兩個截面的場強B分布結構圖. 從圖中可以看到, DHCRA 沿著Z軸的場強B分布均勻,靠近Z軸兩側虛線框的部分場強分布較為集中.根據非均勻性定義和標準計算方法, 通過提取圖3(a),(b)虛線框內場強幅值點的最大值與最小值作差,隨后與平均場強做除法計算, 得到X-Z平面兩側的均勻區的非均勻度約為0.9%,X-Y平面環形均勻區的非均勻度約為0.78%, 兩側均勻區非均勻度平均約為0.9%.

在仿真過程中, 對于X-Z平面兩側的均勻區,當線圈間距在0.4—20.0 mm 之間時, 隨著兩線圈間距的增加非均勻度不斷提高. 當線圈間距超過20 mm 后由于場強大幅度減弱, 隨著間距擴大非均勻度不斷降低, 而非均勻度的線圈間距與線圈線條寬度對該平面非均勻性幾乎無影響. 對于X-Y平面的環形均勻區, 當線圈線條間距與寬度之和固定時, 隨著線寬的增加非均勻度不斷減小, 而兩線圈間距對該平面非均勻性無影響.

圖4 (a)未加入樣品時X-Z 平面磁場仿真分布圖; (b)加入碳化硅樣品后X-Z 磁場仿真分布圖Fig. 4. (a) Simulation distribution of X-Z plane magnetic field without adding samples; (b) X-Z magnetic field simulation distribution after adding silicon carbide sample.

研究中將DHCRA 天線結構中間部分設為中心, 以沿著中心的X軸為橫坐標, 場強大小為縱坐標進行取點分析得到如圖3(d)所示的場強分布圖.根據圖3(d)得到X軸上均勻區的最大場強位于+14.68 與–14.2 mm 處, 取正向X= 14.68 進行Z軸曲線繪制得到如圖3(c)所示分布圖. 可以看到沿著Z軸分布的中間區域為最大值, 輻射強度最大, 而由圖3(d)可以看出沿著X軸的兩側各具有一個最值點.

同時, 由于待激發的碳化硅樣品不與線圈結構相接觸, 所以線圈工作產生的熱量不會直接傳到碳化硅樣品, 從而有效隔離了線圈產生熱量的干擾.

為了進一步研究樣品結構對天線結構的非均勻性影響, 通過仿真研究了DHCRA 天線結構加入碳化硅樣品前后的場強分布特性, 結果如圖4 所示. 可以看出, 加入樣品前后射頻天線結構中場強的分布基本無變化, 因此, 碳化硅樣品對所設計天線結構的非均勻性無影響, 為高可靠的SiC 基傳感與測量結構研制提供技術支撐.

3 不同天線結構性能測試

為了對比目前碳化硅硅空位自旋結構常用射頻天線結構, 對比了單導線(single copper antenna,SCA), 單線圈(single loop antenna, SLA)和DHCRA 三種不同天線結構的射頻信號輻射強度, 如圖5所示. 在相同比例下得到DHCRA 結構虛線區域的均勻場場強更大, 而SLA 與SCA 結構分布較為分散且強度較低. 而且, 相比于SCA 與SLA 結構,DHCRA 結構的均勻性分別提高了55.889 倍與42.889 倍, 場強分別提升1.587 倍與1.177 倍, 極大地增強了射頻信號輻射的均勻性與強度, 為高靈敏度的碳化硅硅空位色心自旋基傳感和測量方法提供了研究基礎.

圖5 (a) SCA, SLA 與DHCRA 的 三 維 結 構 示 意 圖;(b)三種結構磁場強度仿真分析圖與非均勻度參數示意圖Fig. 5. (a) Three-dimensional structure diagram of SCA,SLA and DHCRA; (b) three kinds of structure magnetic field strength simulation analysis diagram and non-uniformity parameter diagram.

4 結果與分析

為了驗證雙螺線圈射頻共振天線結構的性能,把該天線結構應用到碳化硅硅空位色心自旋磁共振效應激發和應用測試中, 首先結合文獻[30,31]得到直流磁力計靈敏度計算公式為

其中,h是普朗克常數,g是朗德因子,μB是玻爾磁子數, 均為常數.I0是缺陷光致發光(photoluminescence, PL)率,C是光探測磁共振對比度(optically detected magnetic resonance , ODMR), ΔV是ODMR 線寬. 實際應用中, 由于射頻場不均勻,導致硅空位缺陷結構的自旋磁共振效應展寬, 即ΔV增加.

實驗中, ODMR 測量系統如圖6(a)所示, 首先通過730 nm 的激光器激發碳化硅硅空位色心產生自旋磁共振熒光信號, 通過二向色鏡進行熒光與激光信號分離, 利用NA= 0.8 的物鏡進行熒光信息收集, 并利用濾鏡進一步濾除730 nm 激光信號, 最終通過光電探測器檢測磁共振信息. 硅空位色心的射頻調控信號為70 MHz, 輸入信號的強度為18 dBm.

實驗中分別利用三種天線結構進行了實驗對比分析. 如圖6(b)所示, 可以看出基于SCA 與SLA 天線結構的硅空位自旋磁共振結構的對比度C分別為0.2%和0.5%, 而基于本文設計的DHCRA天線結構的對比度C為1.2%, 分別為SCA 與SLA的6 倍和2.4 倍. 同時, 通過實驗進行測得三種結構的帶寬 ΔV均為9 MHz, 因此, 本文提出的雙螺旋圈天線結構的射頻信號輻射效率更高.

利用信號調制解調方法, 得到硅空位色心結構的信噪比(SNR), 在70 MHz 恒定的射頻頻率下對熒光信號的波動進行了測量, 結果如圖6(c)所示.而根據哈密頓方程[32]可知, 當射頻輻射的功率不均勻時, 碳化硅色心的自旋熒光信息波動較大, SNR較低. 從圖6(c)中可知, 基于DHCRA 結構的碳化硅色心自旋磁共振信號噪聲明顯低于前兩者, 相對SCA 與SLA 天線結構, SNR 分別提高了8 倍與2 倍.

為了研究碳化硅硅空位色心自旋磁傳感器的靈敏度, 使用圖6(a)搭建的信號調制實驗系統, 結合相敏檢測方法[33?35], 研究傳感器的靈敏度. 圖6(d)所示為基于三個不同類型射頻天線結構的解調曲線結果, 通過分析解調曲線的斜率(圖中k與R值),得到基于DHCRA 結構的磁傳感器靈敏度相對SCA與SLA結構分別提高4.833倍與2.071倍,因此,基于DHCRA結構的硅空位色心自旋磁傳感器具有更高的高靈敏度.

圖6 (a)光學檢測共振光路與頻率調制系統; (b)三種結構的光學檢測共振譜分布; (c) 70 MHz 共振頻率下三種結構的噪聲波動圖; (d) 三種結構的解調測試結果圖Fig. 6. (a) Optical detection resonance light path and signal modulation system; (b) resonance spectrum distribution of three structures for optical detection; (c) noise fluctuation graphs of three structures at 70 MHz resonance frequency; (d) demodulation test results of three structures.

5 結 論

設計了一種用于提高碳化硅中硅空位自旋激發強度的雙螺旋立體天線,并進行了仿真分析與實驗研究.仿真中通過與另外兩種天線結構進行對比,得到三者的磁場分布圖并進行了討論分析,得到本文設計的結構具有良好的均勻性與較高的輻射強度.通過搭建光學測試平臺,驗證了雙螺線圈平行對稱結構的均勻區達到π ×375mm2×10 mm,輻射強度相對于單根直導線和單螺線圈分別提高了56.889倍和1.587 倍,傳感器靈敏度分別提高了4.833倍和2.071倍.本文結構提高了硅空位自旋傳感測量靈敏度,為高精度、芯片級自旋量子傳感器件的制造提供了技術支撐,對于高精度自旋量子傳感器的設計和使用有很好的參考價值.