便携式拉曼光谱仪在金刚石NV色心溶液研究中的应用

发布日期：2025-05-23

摘要：本研究利用如海光电自主研发的Portman532便携式拉曼光谱仪对金刚石中的氮空位（NV）色心溶液进行了光谱测试。NV色心作为一种发光点缺陷，因其荧光稳定性和较长的电子自旋相干时间，在量子计算、生物荧光标记以及纳米尺度传感器领域展现出巨大潜力。实验中，我们设定激光功率为100mw，积分时间为1000 ms，通过拉曼光谱仪成功观测到金刚石NV色心溶液中NV0和NV-的零声子线，分别位于575 nm和638 nm处，对应的拉曼位移为1435 cm^-1和3149 cm^-1。测试结果与文献报道一致，验证了Portman532拉曼光谱仪在识别金刚石NV色心方面的有效性。此外，由于NV色心荧光强度较高，金刚石的552 nm本征峰可能被575 nm处的声子伴带覆盖，导致在测试结果中未能观测到。本实验不仅证实了便携式拉曼光谱仪在金刚石NV色心检测中的实用性，也为未来相关领域的研究提供了实验依据。

一、研究背景

NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷被称为NV色心。NV色心在激光（如532nm）作用下表现出较强的荧光，并在室温下可观测到其零声子线。由于NV的荧光非常稳定，是一种良好的单光子源，被用于量子密钥分配、生物荧光标记等实验。NV色心的自旋可通过激光和微波实现操作和探测。

另外由于NV的电子自旋相干时间可达毫秒量级，它被认为是一种十分具有潜力的量子计算机系统。利用NV的量子寄存器、量子纠错等实验被验证。同时NV也可作为纳米尺寸的传感器，用于磁场、电场、温度等物理量的测量。国际上利用NV实现了的有机材料的核磁共振信号的测量，同时也实现了生物细胞内温度的测量。本文使用如海光电自主研发Portman532便携式拉曼光谱仪对金刚石NV色心溶液进行了测试。

二、测试样品及实验仪器搭建

本次检测使用如海光电Protman532便携式拉曼光谱仪进行拉曼检测。

1. 测试样品

图2 测试样品

2.仪器搭建

图3 测试系统搭建图

三、实验结果

测试条件：激光功率100mw，积分时间1000ms。

金刚石NV色心溶液测试结果见图3，图中575 nm、638 nm（拉曼位移分别为1435 cm^-1，3149 cm^-1）特征峰，分别对应NV色心的NV⁰的零声子线与NV^-的零声子线，可通过这两处特征峰反映金刚石中NV色心的含量，测试结果与文献报道相吻合^[1]。在图中未发现金刚石552 nm的本征峰，原因很可能是样品中NV⁰和NV^-色心的含量较大，荧光发光过强导致本征峰被淹没于575 nm处的声子伴带中^[1]。