Spin defects in hexagonal boron nitride as two-dimensional strain sensors

技术摘要：作为二维应变传感器的六方氮化硼中的自旋缺陷

问题陈述
应变工程是调节二维（2D）材料及范德华异质结构电子、光学和磁学性质的关键方法。然而，要充分利用这一潜力，需要精确、独立且能够进行原位（in situ）测量的技术，以实现对晶格变形的高空间分辨率解析。传统方法往往无法捕捉二维材料中真实的应变分布，因为由于层间滑动、基底粘附、边缘重构以及界面应变传递等复杂效应，实际分布往往偏离理论有限元预测值。目前迫切需要能够运行在二维材料环境内部的鲁棒传感工具。

实验方法
作者提出了一种利用六方氮化硼（hBN）中硼空位（$V^-_B$）色心作为量子应变传感器的实验方法。实验装置包括：

1. 样品制备： 将薄层 hBN 片（厚度均匀，约 20 nm）机械剥离并转移到柔性聚酰亚胺（PI）基底上。使用 100 nm 厚的金涂层进行夹持，留下约 15 $\mu$m 的间隙。
2. 缺陷制备： 通过氮离子注入（30 keV，$10^{14}$ ions/cm$^2$）产生 $V^-_B$ 色心系综。
3. 应变施加： 将样品集成到配备有三个平行压电致动器的定制应变单元中。通过向外部致动器施加电压来拉伸 PI 基底，从而将拉伸应变传递至 hBN 片。
4. 表征： 在环境条件下使用扫描共聚焦显微镜进行光检测磁共振（ODMR）光谱测量。通过 532 nm 激光和微波激发来探测 $V^-_B$ 色心的自旋三重态基态（$S=1$）。通过监测电子自旋共振（ESR）频率的偏移来量化局部应变。
5. 校准： 利用应变耦合系数 $g_1$ 将 ESR 频率偏移转换为应变值。研究采用了理论预测并经实验证实的对于多层 hBN 的值 $g_1 = -245 \pm 10$ MHz/%。

主要贡献与结果

• 定量应变传感： 研究表明，$V^-_B$ 色心能够实现具有亚微米空间分辨率的定量应变传感。ESR 频率随施加的面内应变线性偏移，从而实现对局部应变状态的精确校准。
• 应变分布映射： 通过扫描激光穿过 hBN 片，作者绘制了应变分布图，揭示了由于应变单元边缘的差异粘附导致的轻微应变梯度（$\sim 5 \times 10^{-3}$ %/$\mu$m）。
• 机械滞后与滑动： 在延伸至更高电压（高达 10.5 V）的单轴应力实验中，$V^-_B$ 传感器检测到了非单调的应变响应。虽然应变在约 7 V 前随电压线性增加，但进一步增加电压导致了应变释放，这归因于多层 hBN 片与 PI 基底之间的滑动。在返回 0 V 时，系统表现出滞后现象，最终稳定在压缩状态（$\sim -0.1\%$）。这凸显了层状二维材料在应力下的复杂机械响应，而标准的模拟往往无法捕捉到这些现象。
• 拉曼模式校准： 利用 $V^-_B$ 色心作为原位应变参考，作者精确量化了多层 hBN 中 $E_{2g}$ 拉曼模式的应变诱导偏移。他们测得的偏移率为 $-24.9(2)$ cm$^{-1}$/%（多个样片的平均值为 $-24.7 \pm 2.4$ cm$^{-1}$/%），对应的 Grüneisen 参数 $\gamma_{2g} \approx 1.80$。
• 多模态传感潜力： 该工作强调了 $V^-_B$ 色心可以同时感知应变和磁场。通过施加偏置磁场，可以将应变（ESR 频率之和）与磁场（ESR 频率之差）进行解耦。估计的应变灵敏度约为 $\sim 0.03\%/\sqrt{\text{Hz}}$，磁场灵敏度约为 $\sim 250$ $\mu$T/$\sqrt{\text{Hz}}$。

意义
本文确立了 hBN 中的 $V^-_B$ 色心作为范德华异质结构中应变计量学的一种新型、鲁棒的工具。与传统方法不同，该方法提供了高空间分辨率以及在同一纳米级体积内同时进行多模态传感（应变、磁场以及潜在的电场/温度）的独特能力。对 $E_{2g}$ 拉曼模式偏移的精确量化为未来应变工程化二维材料的研究提供了关键参考。此外，能够原位检测诸如层间滑动和滞后等机械现象，为深入理解二维材料在应力下的物理行为提供了洞察，这对于开发柔性及多功能量子器件至关重要。