隨著量子計算和量子傳感平臺的成熟，承載量子位的材料（例如金剛石）的表面化學是一個重要的探索途徑。將金剛石（特別是納米級金剛石（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的光子器件、光纖、細胞或組織中的潛在途徑。

       來自圣何塞州立大學 (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，并使用 X 射線吸收光譜 (XAS) 來探測金剛石表面化學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基團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。

       研究人員通過改進的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。通過電子顯微鏡等重疊技術(shù)對金剛石形態(tài)、表面和電子結(jié)構(gòu)進行了表征。發(fā)現(xiàn)在羧酸化的ND上生長SiO2會消除羧酸的存在，而堿性乙醇溶液會在SiO2生長之前將ND表面轉(zhuǎn)化為富含醇的表面。

       該研究首次觀察到SiO2厚度對金剛石電子結(jié)構(gòu)的抑制作用，并計算出最大的探測深度約為14納米。此外，由過渡邊緣傳感器產(chǎn)生的共振非彈性X射線散射（RIXS）圖強化了XAS提供的化學分析。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）進行量子感測應用的研究人員可以利用這些結(jié)果，通過表面醇基團形成共價鍵，設(shè)計新的分層或核殼量子傳感器。

圖文導讀

圖1. 顯示了在類似于St?ber方法的堿催化反應中使用原硅酸四乙酯生長二氧化硅。

圖2. HPHT ND 核上二氧化硅的厚度由反應時間的長短控制，并且增加的生長形成厚度約為 20 nm 的近球形 ND-SiO2 。

圖3. XAS 光譜被發(fā)現(xiàn)可以通過金剛石電子結(jié)構(gòu)的減少有效地跟蹤二氧化硅的生長，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樣品的實驗 TEY 數(shù)據(jù)

圖5. ND-SiO2樣品的 XAS 光譜證實了各種分子的成功修飾、二氧化硅生長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 2–35 nm SiO2殼可以抑制金剛石核的底層電子結(jié)構(gòu)，探測深度約為15 nm。SiO2的生長機制是由金剛石表面的醇驅(qū)動的，其中羥基化發(fā)生在堿性 乙醇溶液中，而脫羧反應在SiO2生長反應過程中普遍存在。HRTEM 和 EDS 用于確認平均 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聯(lián)檢測到水下金剛石。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表面的化學靈活性，用于使用 NV 中心 ND 進行生物標記和生物傳感應用。由于豐富的醇基團，SiO2在金剛石表面上生長是均勻的，因此該工作應該會激發(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記應用。

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