掃描NV探針顯微鏡（SNVM），不止磁疇！

掃描NV探針顯微鏡（Scanning NV Microscope, SNVM）以金剛石中的氮-空位（NV）色心為量子探針，是掃描探針顯微鏡家族中具有特色的量子精密測量儀器。其核心優勢在于對磁場信號的納米級空間分辨率與單電子級靈敏度探測。從物理機制來看，磁場的產生主要源于電子自旋、電荷的移動及交變電場三類過程，分別對應磁性材料磁疇、導體電流與微波場的物理本質。

近年來，掃描NV探針顯微鏡（SNVM）的技術能力不斷拓展，不僅在納米尺度磁疇成像方面取得顯著成果，更拓展至電流分布表征、自旋波探測、電場與溫度測量等多個前沿領域，取得了一系列關鍵技術進展 。本文將結合國儀量子SNVM的應用實例，系統闡述該技術在上述領域的原理與實踐價值。

01  電流分布的高分辨表征：從芯片到電池的微觀探測

基于畢奧-薩伐爾定律，電流產生的磁場可被NV色心高靈敏度捕獲，結合傅里葉濾波算法可實現電流密度分布的定量重構。相較于傳統測電流成像方法，SNVM具備室溫操作、～30 nm高空間分辨率及非接觸式探測的核心優勢，有效規避了低溫環境依賴與樣品損傷風險。

在探測性能方面，SNVM對直流（DC）電流的探測下限可達微安（μA）量級；針對交流（AC）電流，結合Hahn echo脈沖序列可將探測極限降至1 μA以下；若采用碳-12同位素純化的NV探針并輔以重復讀出技術，理論探測極限可進一步突破至納安（nA）量級。這一性能使其在芯片失效分析、凝聚態物理電輸運研究及新能源電池缺陷檢測中具備不可替代的應用價值。

SNVM電流成像示意圖^[1]。

SNVM對電流進行成像（測試儀器：國儀量子SNVM）。

1.芯片失效性分析

在芯片工作狀態下，SNVM通過對電流磁場的高分辨成像，可實現故障溯源、硬件木馬檢測及芯片表面與內部電流密度分布表征。值得注意的是，基于系綜NV色心的量子鉆石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope, QDM）具備毫米（mm）級成像視野，與SNVM的納米級分辨率形成互補，可實現“宏觀定位-微觀溯源"的全尺度分析。

下圖利用QDM對兩個在光學顯微鏡下相同的器件中的電流密度進行成像，快速區分正常器件與缺陷器件。并通過電流密度矢量分析，得出缺陷是在電路板第二層，然后通過傳播影響到外層。

左圖：光學顯微鏡下器件。右圖：利用量子鉆石顯微鏡對電流密度成像^[2]。

下圖是利用國儀量子的量子鉆石顯微鏡對555定時器芯片工作狀態下電流進行成像，為芯片功能驗證提供直觀的微觀證據。

芯片表面磁場分布。

對于納米制程芯片（晶體管尺寸已達納米級），SNVM展現出對單個晶體管載流子電磁場的探測潛力。這一能力對器件失效缺陷定位、退化規律研究及摩爾定律的延續具有關鍵支撐作用，為半導體工藝優化提供微觀尺度的量化依據。

2.二維材料電輸運性質

在凝聚態物理領域，SNVM為二維材料電輸運性質研究提供了直接的微觀觀測手段。2021年，哈佛大學研究團隊利用SNVM對石墨烯中電流密度的高靈敏度成像，在室溫條件下觀測到粘性“狄拉克"流體現象，為強關聯電子體系的流體動力學輸運理論提供了關鍵實驗證據^[3]。2024年，蘇黎世聯邦理工大學團隊進一步通過SNVM發現石墨烯中的電流漩渦現象：在小尺寸器件（半徑R≤1.0 μm）中，電流漩渦特征顯著；而在大尺寸器件（R=1.5 μm）中，該現象幾乎消失。這一結果直接驗證了流體動力學模型中“漩渦存在性與器件尺寸及Gurzhi長度相關"的理論預測，為二維材料輸運機制研究提供了新的觀測視角。

左圖：石墨烯中電流密度分布，通過定量分析，發現電流有“粘性"。右圖：封裝式單層石墨烯（hBN-MLG-hBN）器件與穩態電流渦旋^[4]。

3.電池缺陷檢測

在新能源電池研究中，正負極材料在100 mT外磁場誘導下，于50 nm距離處可產生約10 μT的磁場信號；在高電流密度（23.50 mA·cm?2）工況下，枝晶附近的電流集中效應會使局部磁場增強至幾nT量級。基于這一物理特性，SNVM可在納米尺度上定量成像電池內部離子與電子的電流分布，并同步探測電化學反應過程。

該技術能夠實現電池非均相氧化還原反應、埋層電流分布及抗短路能力機理的空間分辨分析，為深入理解電池非均質性與退化機制提供全新研究手段。其無損探測特性也為電池動態性能研究與壽命優化提供了重要技術支撐。

NV與正極表面處于不同距離時，來自Li_xCoO₂顆粒的磁雜散場（模擬數據）^[1] 。

02  自旋波探測：新一代信息器件的量子表征工具

自旋波是磁性材料中自旋有序排列受擾動后形成的集體激發態，其量子化單元“磁子"因低能耗、高頻響應的特性，成為新一代信息存儲與運算器件的核心候選載體。NV色心作為高靈敏度量子磁傳感器，為自旋波的局域探測與定量分析提供了理想技術方案。

1.鐵磁共振

鐵磁共振（FMR）是鐵磁材料中電子自旋磁矩在微波磁場作用下的共振躍遷現象，傳統FMR觀測需復雜的微波電路與探測系統，而SNVM可通過NV色心的熒光響應直接捕獲FMR信號。其物理機制為：FMR誘導的磁子-磁子散射會產生自旋波噪聲，導致NV色心自旋弛豫速率改變，進而引發熒光強度的可探測變化。通過分析熒光信號的頻率依賴特性，可直接獲取材料的FMR譜，為磁子化學勢與傳輸性質研究提供量化數據。

利用NV得到YIG的鐵磁共振譜^[5]。

利用NV測樣品鐵磁共振譜時，需要注意區分NV激發態峰與微波功率放大器倍頻效應引起的額外的峰。如圖所示，峰分為是NV激發態的峰、樣品鐵磁共振引起的峰、基態m_s=0到m_s=-1的躍遷峰、基態m_s=0到m_s=+1的躍遷峰。

測試設備：國儀量子SNVM。外加磁場25 mT。

國儀量子SNVM軟件版本支持磁體的自動磁場調節功能，可直觀呈現光探測磁共振譜（ODMR/ESR/CW）峰與FMR峰隨外磁場的演化規律，曾實現外磁場沿NV軸方向的精準調控，最終穩定在31 mT的目標值，有效提升了FMR譜的信噪比與準確性。

NV色心的CW譜峰隨外磁場變化。

2.自旋波與微波

自旋波能引起NV拉比振蕩（Rabi）頻率的變化，Rabi振蕩增強在FMR與ODMR交點附近較為明顯，調節合適外磁場，施加微波（MW）驅動樣品自旋波激發，樣品的自旋會產生響應，并在 NV的位置處產生一個交變磁場，該磁場會與微波磁場分量發生干涉，這一總交變磁場驅動 NV的拉比振蕩。因此，利用自旋波增強微波，可以通過NV的ODMR譜對比度進行成像或者Rabi頻率進行定量分析。

利用SNVM的連續波（CW）對比度成像與拉比頻率成像功能，可實現自旋波傳輸過程的空間分辨觀測。例如，在25 mT外磁場下，激發2.17 GHz的自旋波時，可清晰捕獲空間ODMR對比度的分布特征；同時，拉比頻率隨與微波帶狀線距離的變化規律也可被定量表征。此外，國儀量子SNVM還成功實現了芯片表面微波場分布的成像，為微波器件的阻抗匹配與場分布優化提供微觀依據。

自旋波傳輸的磁共振成像^[6]。上圖是激發頻率為 2.17 GHz 的自旋波時，在 B? = 25 mT 下的空間 ODMR 對比度，比例尺20 μm。下圖是Rabi頻率與到帶狀線距離的關系。

左圖：金剛石NV探針的Rabi信號。右圖：利用Rabi對芯片表面微波場分布進行成像。（測試儀器：國儀量子SNVM）

NV自旋的哈密頓量：

首項零場分裂參數D與溫度和壓強有關，第二項E與電場、應力有關，第三項中的B是磁場。這一物理特性使NV色心成為天然的多物理量量子傳感器，可實現電場、溫度與壓強的高靈敏度探測。下表是各物理量的耦合系數與典型靈敏度。

1.電場

電場探測的核心挑戰在于樣品背景磁場的干擾與金剛石表面缺陷的靜電屏蔽效應。為解決磁場干擾問題，可通過施加橫向磁場，使斯塔克效應（電場誘導的能級分裂）取代塞曼效應（磁場誘導的能級分裂），成為NV色心能級偏移的主導機制，從而實現電場與磁場的有效解耦。

針對金剛石表面缺陷的靜電屏蔽問題，可采用“掃描梯度成像"技術：使NV色心隨石英音叉進行周期性振蕩，通過同步序列發生器（ASG）實現音叉振蕩與探測序列的時間同步，將靜態電場測量轉化為交變電場測量，有效規避表面缺陷的屏蔽影響。利用NV高空間分辨率與定量無損的特點，可以在微觀尺度上對三維電場矢量重構與表面電荷密度計算，為多鐵性材料（BiFeO₃）的電磁場關聯成像及低功耗器件（比如鐵電斯格明子）研究奠定基礎。

樣品：PZT 薄膜，極化強度 P≈75 μC cm?2。左圖是壓電力顯微鏡（PFM）測量結果，右圖是SNVM測量結果，表明PFM與SNVM結果一致^[7]。

電場引起的NV色心Rabi震蕩^[8]。（測試儀器量子鉆石單自旋譜儀原型機）

2.溫度

SNVM的溫度測量功能具備兩大核心優勢：一是可通過哈密頓量中零場分裂參數D的溫度依賴性，實現溫度與磁場的有效解耦；二是相較于傳統紅外成像技術，其空間分辨率與靈敏度顯著更高。

在生命科學領域，SNVM可用于細胞代謝過程中的局部溫度變化探測^[9]，以及線粒體呼吸鏈的熱效應分析；在半導體領域，可精準定位芯片工作時的局部發熱區域，為器件熱失效缺陷的識別與散熱設計優化提供量化依據^[10]。實驗數據顯示，在不同距離熱源的位置，溫度變化引發的NV色心共振峰偏移顯著，表明溫差可達50 K；而成像對比度的差異則反映了樣品不同區域背景熒光的分布特征，為多物理量關聯分析提供了補充信息。

芯片發熱引起的D值變化（測試儀器：國儀量子SNVM）

參考文獻：

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3.Ku, M. J. H. et al. Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene. Nature 583, 537–541 (2020).

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5.Du, C. et al. Control and local measurement of the spin chemical potential in a magnetic insulator. Science 357, 195–198 (2017).

6.Bertelli, I. et al. Magnetic resonance imaging of spin-wave transport and interference in a magnetic insulator. Sci. Adv. 6, eabd3556 (2020).

7.Huxter, W.S., Sarott, M.F., Trassin, M. et al. Imaging ferroelectric domains with a single-spin scanning quantum sensor. Nat. Phys. 19, 644–648 (2023). 

8.Cheng, Z. et al. Radio-frequency electric field sensing based on a single solid-state spin. Phys. Rev. Appl. 19, 014057 (2023).

9.Wu, T. et al. Intracellular thermal probing using aggregated fluorescent nanodiamonds. Adv. Sci. 9, 2103354 (2022).

10.Chen, G. et al. Diamond nitrogen-vacancy color-centered thermometer for integrated circuit application. Rev. Sci. Instrum. 94, 104901 (2023). 

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