纳米科技正引领着科学的前沿，而集成带负电荷的氮空位（NV）中心的荧光纳米金刚石（FNDs）与光学玻璃纤维的结合，则为远程纳米级磁力测量和测温提供了崭新的可能。

NV中心的电子自旋态可借助微波场进行操作，并透过光学检测磁共振技术读取其状态变化。这种中心对其周围环境的高度敏感性使得FND成为测量局部磁场、温度、离子和自由基浓度的有力工具。

借助光纤可以远程激发NV中心，通过同一纤维收集其发射信号，创造一种紧凑的纳米级测量方法。这种技术已经通过多种途径实现，包括光子晶体光纤和光纤锥度。

在实验中，使用ODMR技术已成功在不同材料中实现了局部磁场检测和纵向荧光收集。例如将FND和微金刚石掺杂在亚碲石和铅硅酸盐玻璃纤维中，甚至在60厘米长的玻璃纤维中，亚微米级金刚石颗粒的荧光水平与磁场呈现相关性。

1、光纤束刻面上 FND 的化学薄膜组装

光纤中集成荧光纳米钻石（FND）的传统方法包括将FND嵌入熔融玻璃，采用融合、粘合或纤维刻面沉积等技术。但这些传统方法受限于光纤类型和光学读出灵敏度，且较为复杂，可以通过硅烷化技术将FND与特定玻璃纤维共价连接。

在实验过程中，采用APTES对玻璃表面进行高密度硅烷化尤为关键，因为它决定了FND与表面终止氨基的共价键形成效率。

研究表明，热处理通过水平热增强聚合使修饰APTES层更致密，消除氢原子有助于减少薄膜厚度，并使表面硅烷分子交联形成更坚固的硅烷层。

在70°C至150°C的固化温度下，功能化的APTES底物通过蒸发或缩合作用，有效消除了表面上松散结合的质子化氨基。

在材料制备过程中引入了中间的加热步骤，成功地在玻璃界面上形成了APTES单层涂层。经过热处理后的材料表面并未失去物理吸附分子，而是经历了交联反应的增强，提高了界面处的稳定性，还获得了尺寸为140 nm的羧化金刚石纳米颗粒悬浮液，其中含有1.5 ppm的NV中心。

通过使用臭氧羟基化和甲基三氯硅烷（APTES）官能化技术，成功地在钻石表面建立了稳定的连接层。在处理过的钻石表面先进行了臭氧羟基化，随后在APTES甲苯溶液中进行浸泡。

接着将FND和胺反应性O-酰基异脲溶液混合，实现了FND的胺基化。将APTES官能化的钻石表面浸泡在这种溶液中，使FND能够与表面形成紧密的结合。采用多次循环的方式，进一步提高了FND薄膜的密度和质量。

通过用去离子水冲洗和热处理，获得了稳定而高质量的FND薄膜。不仅在抗刮擦方面表现出色，而且在长期使用中也表现出稳定的性能，即使与频繁接触的天线板，也能保持有效运行长达5个月之久。

2、荧光显微镜和 ODMR 设置

Motic BA210E显微镜在落射荧光模式下进行操作，激活了组装在光纤切口上的荧光纳米钻石。通过绿色LED光源的激发，获得了具有广阔视野的图像。这些图像是通过0×/65.3物镜进行捕获，并由数码相机拍摄。

使用激光器对FND进行激发，再通过双色镜将其发出的荧光分离并进行空间和光谱过滤，用单光子计数模块进行检测，借助压电纳米定位平台扫描位于物镜上方的样本。

在收集ODMR信号方面，设计了一套排列，包含自制的宽场显微镜设置。大约65 mW的绿色激光功率被聚焦在40×/0.6物镜的后焦平面上，经由光纤束从未涂层的切口传输到带有FND的切口上。

涂层切口位于印刷电路板上的两条平行铜线之间，被简称为“天线”，并且距离天线顶部约0.2毫米。由FND激发产生的NV荧光通过光纤束和物镜传输，然后由相机进行捕捉。

在光学检测磁共振（ODMR）技术中，图示了一个设置示意图。图中展示了光纤束以及涂层和未涂层的刻面，显微镜物镜，产生偏置场的永磁体，以及两条带状线的天线：MW和电流（I）线。

激光照射到未涂层刻面上，并激发了刻面上的NV中心。这些激发产生的荧光受到局部微波（MW）和磁场强度的影响。

光纤束收集荧光，并将其传输至后方的显微镜物镜，从而生成ODMR信号。图中的虚线双端箭头表示了扫描的方向，包括移动物镜、在未涂层刻面上聚焦的激光束以及在涂层刻面上特定点上扫描的激光束。

系统中的两条带状线中的一条传输微波信号，用于控制NV中心的地面旋转状态。另一条带状线从稳定的电流源传导直流电流，产生特定的空间磁场分布。

通过应用附加的偏置磁场，使用永磁体来解除m状态的简并，进而影响NV中心的行为。此外，连续波微波场的频率会被扫过特定范围，导致NV中心的荧光从ms=0到ms=1的跃迁，这有助于研究其性质。

收集的荧光经过适当的滤波和捕获，最终传入相机中。为了提高数据质量，实验中在每个频率下进行两次图像捕获，其中一个打开了MW，另一个关闭了MW，以消除背景影响。

通过对704×594像素的中央图像进行采集，能够观察到一个全帧视场，对应的尺寸为205μm×173μm，同时每个像素的有效大小约为0.55μm。为了在保持足够信噪比的同时实现高空间分辨率，从较小的感兴趣区域开始采集荧光。

这些感兴趣区域，每个尺寸约为15.6μm×15.6μm，相当于IFB中的22根独立纤维。将每个感兴趣区域中收集到的荧光进行积分，并将其归因于天线线之间的特定位置。

1、FND 薄膜的成像荧光

为了在光纤束接口（IFB）的表面实现含有FND共价组分的致密且均匀的薄膜涂层，研究人员进行了四轮涂覆循环，紧接着进行了热处理。

图示展示了未沉积FND之前的干净IFB刻面的宽景场显微图像。由于光纤芯与包层的折射率差异相当大，因此单个2.8 μm直径的IFB光纤呈现明显的亮点，避免了光信号串扰。

IFB具备足够大的数值孔径，使其能够有效地捕获涂层刻面所发射的荧光，且能够在光束中高效传输。研究人员采用了落射荧光显微镜来呈现荧光图像，分别揭示了IFB的涂层刻面和未涂层刻面。

荧光图像中的红色发光源自涂层IFB表面沉积的NV中心，这表明所制得的FND薄膜分布相对均匀，且涂层覆盖率高。在图3c中，当对未涂覆一面进行观察时，由于单个IFB光纤内的荧光引导效应，每个光纤芯看起来比其包层更加明亮。

为了验证FND在涂层IFB刻面上的激发、分布以及NV荧光在IFB中的有效传播，科学家们采用了扫描共聚焦荧光显微镜技术，图像中显示了一个尺寸为200 μm×200 μm的共聚焦荧光强度图，上半部分展示了涂层IFB刻面，而下半部分则展示了未涂层侧。

涂层刻面呈现出直接的NV荧光发射，其荧光光子计数速率高达约250 kc/s，而透过IFB另一侧收集的荧光光子计数速率较低，约为65 kc/s。共聚焦扫描图明确显示FND均匀分布于整个光纤面上，并且NV发射成功地与IFB的光学引导模式进行耦合。

2、ODMR 光谱

在无外界磁场作用下，ODMR频谱呈现出标准谐振，中心频率在2870 MHz左右。当施加足够强的外部磁场时，FND内部的NV中心的ODMR共振会变宽且失去对比度。这是由于在磁场作用下，NV中心的自旋投影方向会被随机化，导致谱线展宽。

这种展宽与外部磁场的强度成正比，这为磁场测量提供了一种定量手段。然而，要观察和量化较大的展宽，必须使用足够强的外部磁场（约大于1 mT）。在很弱的磁场情况下，由于NV中心的±1自旋态之间的相互作用，谱线展宽不明显，这会限制磁场的测量范围。

实验中，通过在纳米钻石薄膜上施加电流，磁场的变化被成功地引起。电流的变化导致了磁场分布的变化，进而影响ODMR谱线的特征。实验结果显示，电流的不同方向（正/负电流）会导致ODMR谱线展宽的不同程度，这与不同方向磁场的影响有关。

3、微米尺度梯度磁场传感演示

通过在电流导线上施加一个偏置磁场B，探索了在不同电流值和距离条件下，载流导线所产生的磁场空间变化。使用了显微镜来观察这些变化，显微镜的物镜被移动到与电流导线和偏置场相交的地方。

采用了一种逐步扫描的方法，将成像兴趣区域（AOI）与电流导线保持一定距离，并在每个步骤中重新聚焦以消除表面不平整度的影响。

在实验中应用了三种不同的电流值：I = 0，±1 A，并记录了从AOI中获取的光致发光谱。根据记录的谱，观察到在不同电流方向和距离范围内，光谱的变化。

当施加正向电流I = +1 A时，随着距离r的增加，谱线变宽，对比度降低。相反，当施加反向电流I = -1 A时，由于磁场偏置B的方向相反，观察到不同的变化趋势。

在零电流条件下，没有观察到显著的光谱变化，只有随着距离r增加，荧光对比度逐渐降低。通过分析光谱中的边缘位置，能够系统地推断磁场的空间分布。

当在导线通电时，磁场的存在会导致光谱的变化，分别研究了+1 A电流、-1 A电流以及零电流情况下的光谱。

在零电流情况下，光谱的宽度保持不变，但荧光对比度会随着与微波（MW）线距离的变化而产生空间上的变化，这是由于均匀偏置场的作用。

当施加电流时，光谱逐渐变窄（+1 A电流）或变宽（-1 A电流），这是因为偏置磁场与电流产生的磁场矢量相互作用的结果。还通过计算磁场与载流导线之间的距离，绘制了它们之间的关系图，虚线表示了无限导线模型的模拟结果。

红色箭头表示偏置磁场，而蓝色箭头表示电流产生的磁场大小和方向。箭头的长度反映了从当前导线到偏置场之间的相对距离。

在这项研究中，主要关注了净磁场B的空间分布，用彩色点表示，并将其与基于Biot-Savart定律的建模结果进行了比较（虚线部分）。

为了进行建模，使用了导线尺寸为34μm高、170μm宽，但将其长度扩展到无限大，以简化模型。静态偏置场的值为3.68 mT（当距离r = 0时），同时存在一个额外的小梯度为0.4 mT/mm。

在考虑导线边缘附近（r = 0）的情况时，由于在模型中做了导线无限长度的简化，导致了稍许的精度降低。

通过引入特定有限高度的FND薄膜中的NV层，可以实现与测量数据的高度匹配，具体而言是在距离天线平面约20μm的位置。这一结果不仅展示了所采用方法的潜力，也为揭示了一个关键见解：它可以在高分辨率下精确地映射非均匀磁场，超越了传统的二维信息描述。

在这项研究中使用了FND涂层IFB，用于实现这种磁场映射。映射的磁灵敏度与光致发光谱边缘的斜率成正比，与光子数的平方根成反比。

光子数可以从单个荧光图像中获取，而斜率则可以从光谱中获得。根据目前的实验数据，预计所采用的光纤探针的磁灵敏度约为1.6μT/√Hz。

通过硅烷化方法和中间热处理，成功地在IFB晶面上形成了坚固而均匀的薄膜，其中包含了荧光纳米钻石。

这些FNDs在荧光宽场显微镜图像和共聚焦扫描图上清晰可见，证实它们能够有效地引导光信号通过直径为2.8微米的单个光纤芯，实现了远程光信号的检测。每个磁芯都独立地传递荧光信息，从而可以对覆盖其表面的特定FND进行空间分辨荧光信号的检测。

而观察ODMR光谱中共振宽度的变化，获得了关于局部磁场的有价值的信息。使用FND涂层的IFB刻面作为远程传感器，IFB作为图像中，成功地在载流结构附近检测到了几十微米尺度的磁场梯度。这种方法允许将显微镜物镜从测量磁场的位置移开，从而消除了物镜对测量的影响。

通过改进的相机系统和成像协议，显著提高了信噪比，将磁力灵敏度提升到了1.6微特斯拉/√赫兹。实测值与仿真值的一致性表明，搭载有FND中心和图像传输光纤链路的纳米金刚石薄膜成功用于遥感三维磁场分布。

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