利用金刚石中色心进行全应力张量测量

应力和应变是决定材料力学、电子学和光学性质的重要因素，二者通过材料的弹性或刚度相互关联。两者均由二阶场张量表示，通常具有六个独立分量。这些量的测量通常通过测量依赖于晶格平移对称性和周期性的性质来实现，例如使用拉曼光谱测量光学声子能量、使用阴极发光测量电子带隙、通过光学双折射测量光弹性，或电子背散射衍射（EBSD）。因此，测量的最大灵敏度与空间分辨率之间存在倒数关系。此外，在这些技术中，只有 EBSD 和离轴拉曼光谱能够测量应力张量的所有六个分量，但两者都无法提供完整的三维图谱。本文我们展示了一种测量金刚石中全应力张量的方法，利用单个氮空位（NV）色心光致发光的光谱和光学偏振特性。我们展示了约 10 MPa 量级的灵敏度，受限于样品中应力的局部涨落，对应于约 10^-5 的应变，与其他技术提供的最佳灵敏度相当。通过将色心用作内置局域传感器，该技术克服了空间分辨率与灵敏度之间的倒数关系，并提供了在约 10 nm 空间分辨率下测量小至 10^-9 应变的潜力。此外，它为体积应力成像提供了一条直接的途径。除了在理解金刚石中应变分布方面的价值外，这种新的应力和应变测量方法可适用于微米或纳米尺度传感器。