Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Fotoluminescentie van NV−-centra in 5 nm detonatie nanodiamanten:identificatie en hoge gevoeligheid voor magnetische velden

Abstract

De inhoud van stikstof-leegstand (NV ) kleurcentra in de nanodiamanten (DND's) geproduceerd tijdens de ontploffing van stikstofhoudende explosieven bleken 1,1 ± 0,3 ppm te zijn. Deze waarde is indrukwekkend voor nanodiamanten van < 10 nm met opzettelijk gecreëerde NV centra. De concentratie werd geschat op basis van de paramagnetische resonantie van het elektron zoals bepaald op basis van de geïntegreerde intensiteit van de g = 4.27 regel. Deze regel is gerelateerd aan “verboden” ∆m s = 2 overgangen tussen de Zeeman-niveaus van een NV grond triplet toestand van het centrum. Confocale fluorescentiemicroscopie maakt detectie van de rode fotoluminescentie (PL) van de NV mogelijk kleurcentra in DND-aggregaten op nanoschaal gevormd uit de 5-nm nanodeeltjes. Subgolflengtezenders bestaande uit NV met afmetingen die een paar keer kleiner zijn dan de diffractiebegrensde plek zijn duidelijk te onderscheiden. We hebben verder een abrupte daling van de PL-intensiteit waargenomen bij het mengen en anti-kruising van de grond- en aangeslagen toestanden spinniveaus in NV gebeurt onder een aangelegd extern magnetisch veld. Dit effect is een unieke kwantumfunctie van NV centra, die niet kunnen worden waargenomen voor andere lichtgevende kleurcentra in het zichtbare domein in een diamantrooster.

Achtergrond

Fluorescerende nanodiamanten (ND's) met stikstof-vacature (NV ) centra zijn nieuwe nanomaterialen die de weg vrijmaken voor innovatieve toepassingen. Specifieke toepassingen zijn momenteel magnetische detectie [1], bio-imaging [2] en telecommunicatie en informatieverwerking, inclusief het gebruik van aan nanoresonator gekoppelde fotonenbronnen [3, 4]. Het brede scala aan toepassingsgebieden komt voort uit de ongekende unieke kwantumeigenschappen van de NV kleurcentra die voorkomen bij kamertemperatuur. De kleurcentra hebben triplet-spin-eigenschappen die kunnen worden gedetecteerd door optisch detecteerbare magnetische resonantie (ODMR) [5]. De fluorescentie-eigenschappen van de nanodiamanten in combinatie met hun kleine afmetingen (< 40 nm) maken hun gebruik in biomedische toepassingen mogelijk, waaronder de intracelcontrastbeeldvorming van submicron-organellen en thermometrie op nanometerschaal in embryo's [6,7,8]. Inkapseling van nanodiamantkristallieten in biocompatibele doorschijnende omhulsels is vooral veelbelovend voor hun toepassing in biologische omgevingen [9]. Ze kunnen ook worden gebruikt als puntvormige sondes voor het meten van de Johnson-ruis in metalen [10]. Nanodiamanten kunnen worden geproduceerd tijdens de ontploffing van explosieven, waardoor zogenaamde detonatie-nanodiamanten (DND's) ontstaan. DND's bevatten echter meestal een hoge concentratie aan onvolkomenheden. Dit beperkt bijvoorbeeld de toepassing van DND's (grootte < 6 nm) in magnetische detectietoepassingen en andere lokale sonderingen op nanoschaal [11].

Een DND wordt gesynthetiseerd uit de pyrolyseproducten van de energie-afgevende componenten van de explosieven tijdens detonatie. Het explosief en de detonatie bevinden zich in een waterreservoir. De synthese vindt plaats gedurende een tijdsperiode van bijvoorbeeld 13-20 μs tijdens de ontploffing van een blok explosieven tot 10 cm groot. Deze tijd is de tijd die de detonatiegolf nodig heeft om zich door het hele explosieve blok te verspreiden. Elke afzonderlijke explosieve microkorrel ontleedt en vergast echter in een veel kortere tijd (<-0,1 μs). Koolstof en stikstof zijn de belangrijkste componenten van explosieve stoffen. Tijdens de detonatie worden diamantkristallieten met een grootte tot 5 nm zelf samengesteld uit de ontbindingsproducten van de explosieve componenten, d.w.z. overwegend koolstof. Stikstof wordt ook opgenomen in het diamantrooster tijdens de synthese. De aanwezigheid van CH3 * radicalen in de ontledingsproducten in de gasfase veroorzaken een snelle diamantroosterassemblage in een complexe C-N-O-H-gasomgeving. De gasomgeving verandert op microsecondeschaal, met snelle drukontlasting en temperatuurdalingen die omgevingsomstandigheden opleveren die overeenkomen met het vereiste gebied voor diamantsynthese en stabiliteit op het Р–Т-fasediagram van koolstof [12].

De extreem snelle assemblage van diamantkristallieten in condensatiecentra (en ook niet-diamantvormen van amorfe koolstof) veroorzaakt het verschijnen van een groot aantal onvolkomenheden, vacatures en multi-vacatures van a priori verschillende morfologieën binnen het groeiende rooster. Van nature zijn er vacatures als gevolg van stapelfouten en onnauwkeurigheden die optreden bij het snel monteren van een diamantrooster. Tijdens de verlaging van de temperatuur, van het maximum tijdens de detonatie tot 800-900 °C, kunnen nog steeds vacatures binnen het rooster bewegen. De vacatures kunnen zich daarom verenigen in clusters of verdwijnen aan het oppervlak van de kristallieten. De mobiliteit van de vacatures in dit stadium van de synthese maakt het ook mogelijk ze te vangen door vervangende stikstofatomen. Dezelfde processen zijn ook van toepassing op stikstofonzuiverheden, met het enige verschil dat geïsoleerde stikstofsubstituties praktisch onbeweeglijk zijn in het rooster bij temperaturen onder 1600 °C en dus alleen aggregeren bij hoge temperaturen. Stikstofverontreinigingen kunnen in verschillende vormen in het rooster van DND's aanwezig zijn. Het kan aanwezig zijn in een geaggregeerde vorm (A-centra, dimeren) in een hoeveelheid tot ~-2,5 at.% of in de vorm van geïsoleerde koolstof-gesubstitueerde atomen (C-centra). Zoals bekend zijn A-centra niet-paramagnetisch en hebben ze spin-nul, terwijl C-centra met spin-helft paramagnetisch zijn in de neutrale vorm (P1-centra). Daarom kunnen P1-centra gemakkelijk worden gedetecteerd met de Electron Paramagnetic Resonance (EPR)-methode. Een leegte in het rooster, negatief geladen (V ), is ook paramagnetisch maar heeft spin 3/2. Spin-halve spins werden gevonden in DND's in de meest voorkomende hoeveelheid [13]. De concentratie van spin-halve radicalen gedetecteerd door de EPR-methode is praktisch hetzelfde (1100-1400 ppm) Voetnoot 1 in alle standaard DND's van industriële productie. Dit is ongeacht de specifieke commerciële producenten en details van hun technologie die kunnen verschillen in de fijnere details. De spin-halve radicaalconcentratie is ongeveer de som van het totale aantal vervangende stikstofatomen en andere defecten met bungelende bindingsspins binnen het DND-deeltje vergeleken met het deeltjesgewicht (of het overeenkomstige aantal koolstofatomen erin). Het grootste deel van de stikstof (tot ~ -2,5 at.%) in DND's is min of meer homogeen verdeeld in het covalente rooster van de diamantkernen, maar verrijkt op defecte gebieden zoals stapelfouten [14, 15]. Het werd ook geconcludeerd door Turner et al. dat de ingebedde stikstof voornamelijk aanwezig is in het diamantrooster in de vorm van N–N dimeren (A-centra) of geïsoleerde neutrale, positief of negatief geladen stikstof sp 3 -gecoördineerde onzuiverheden (C-centra) [14, 15]. Het grootste deel van de stikstof in een DND bevindt zich dus in de niet-paramagnetische vorm van stikstofparen (N–N) die zich in aangrenzende knopen van het diamantkristalrooster bevinden.

Naast de veelvoorkomende stikstofverontreinigingen bevatten DND-deeltjes ook geïsoleerde vacatures, multivacatures, stikstof-vacature-stikstof (NVN) en stikstof-vacature (NV)-type defectcentra. Deze extra defectcentra treden op als gevolg van het spontaan verschijnen van de samenstellende agentia in aangrenzende roosterlocaties tijdens de roosterassemblage [11]. Tegelijkertijd is de aanwezigheid van negatief geladen NV sites is voornamelijk te wijten aan hun opladen en het accepteren van de negatieve lading van overtollige neutrale stikstofatomen die de rol spelen van elektronendonoren in het systeem. Volgens onze voorlopige EPD-gegevens is de concentratie van NV centra die kunnen worden bepaald uit de geïntegreerde intensiteit van de EPR-lijn met een g -factor van 4,26-4,27 in een half magnetisch veld is ongeveer 2,5-3 ordes van grootte minder dan de concentratie van de geïsoleerde vervangende stikstof, wat een waarde geeft van 400-700 ppm.

Multivacatures en NV centra werden met succes geïdentificeerd in DND's door de EPR-methode in ons vorige recente werk [13, 16, 17]. Er zijn ook pogingen gedaan om de relatie tussen de helderheid van NV . te begrijpen centra in DND's en de chemische samenstelling van hun oppervlak, hun omgeving en de morfologie van aggregaten [18, 19]. Vergelijkbaar werk over het beheersen van de emissie-eigenschappen van NV werd ook gedaan voor synthetische fluorescerende diamanten met kunstmatig gecreëerde NV-centra [20]. Desalniettemin zijn de noodzakelijke studies die verschillende analysemethoden combineren, waaronder röntgenpoederdiffractie, EPR-spectroscopie, confocale fluorescentiespectroscopie en -microscopie, elementanalyse, analyse van emitters van diffractiebeperkte afmetingen en magnetische veldinvloed op het fotoluminescentiesignaal niet volledig uitgevoerd over het onderwerp NV centra in DND's, behalve in ons voorbereidende werk [21]. Momenteel is de afhankelijkheid van emissie-eigenschappen van NV in DND's op het inwendige onzuiverheidsgehalte en deeltjesmorfologie wordt niet begrepen. In dit werk rapporteren we dat DND-deeltjes specifieke fotoluminescentie (PL) van de NV vertonen centra, tel nauwkeurig de inhoud van NV erin via een geavanceerde benadering, en analyseer hun PL-intensiteit bij het spectrale maximum als functie van de diamantkristallietgrootte en het stikstofgehalte. Verder demonstreren we de gevoeligheid van de DND's voor een extern magnetisch veld dat verband houdt met hun ODMR-eigenschappen.

Experimenteel

Vervaardigingsmethoden en controle van de DND-morfologie

DND-poeders werden verkregen door middel van een grotendeels standaardproces waarbij ongeveer ~1 kg van een explosief mengsel van trinitrotolueen-hexogeen, omgeven door een watermantel van geschikte dikte, in een gesloten roestvrijstalen vat van enkele kubieke meters wordt gestraald. Dit is een zogenaamde "natte" synthese. Synthese en primaire zuivering van het product werd uitgevoerd door een commerciële fabrikant - het Special Design and Technology Bureau "SCTB Technolog", St. Petersburg, Rusland. Het technologische proces dat bij deze onderneming wordt gebruikt, maakt het mogelijk om DND-poeders te verkrijgen die uitsluitend bestaan ​​uit nanokristallieten met de grootte van het coherente verstrooiingsgebied (CSR) variërend van 4,5 nm tot ongeveer 5,7 nm. Sommige gezuiverde DND-poeders bereid door middel van standaardtechnologie werden geleverd door PlasmaChem GmbH (Berlijn, Duitsland). De morfologie van zoals afgeleverde DND-monsters werd vastgesteld met behulp van röntgendiffractie (XRD). XRD-patronen werden geregistreerd in het Hosei University Micro- and Nanotechnology Research Center (Tokyo, Japan) door middel van een Rigaku SmartLab I röntgendiffractometer met D/teX Ultra-detector, CuKα-stralingsbron (λ = 1.54178 Å) en nikkelfilter in het hoekbereik 2Θ = 5–100 o (stap 0.01 o ). Bij de analyse is rekening gehouden met de breedte van de hardwarefunctie. Röntgen-CSR-afmetingen werden bepaald op basis van geavanceerde analyses van de breedtes van 111, 220 en 311 reflexen als functie van 2Θ hoek in overeenstemming met de methode beschreven in Ref. [22]. Voetnoot 2 Het belangrijkste kenmerk van deze methode is dat de roosterconstante parameters (a o = 3.5640 Å) kan worden verkregen voor alle NS-steekproeven met systematische fouten (variaties als gevolg van de keuze van verschillende modellen) niet groter dan ± 0.0003 Å. Röntgenpoederdiffractiemetingen toonden een CSR-grootte aan van één representatief DND-monster gekozen voor daaropvolgende onderzoeken van 5,2 ± 0,2 nm. Dit DND-monster werd gebruikt in alle hoofdonderzoeken die hieronder worden beschreven. Bovendien werden enkele DND-monsters gesynthetiseerd door dezelfde fabrikant onder speciale omstandigheden (met en zonder anorganische toevoegingen aan de detonatiezone) en met verschillende röntgen-CSR-afmetingen voor het plotten van de afhankelijkheid van de fotoluminescentie-intensiteit versus de CSR-grootte en/of het gehalte aan inwendige stikstof. De CSR-grootte van DND-poeder gesynthetiseerd door gewone technologie was 4,6 ± 0,2 nm.

De DND-poeders werden verder gezuiverd in kokende zuurmengsels om eventuele resterende onzuiverheden van 3D-ferromagnetische metalen te verwijderen, waardoor nauwkeurigere EPR- en XPS-onderzoeken mogelijk werden. Extra oppervlaktereiniging door de DND-poeders in de lucht bij 430 °C gedurende 10-12 h te gloeien was vereist voor Raman-verstrooiing en daaropvolgende fotoluminescentie-onderzoeken [23]. Er werd geen verdere inspanning geleverd om het DND-poeder dat afzonderlijke afzonderlijke nanodiamantdeeltjes en aggregaten met een grootte van minder dan 25 nm bevat, te deaggregeren nadat het met zuur is gezuiverd en aan de lucht is behandeld. De gemiddelde grootte van DND-aggregaten in watersuspensie was 25-30 nm.

Monsters voor confocale fluorescentiemicroscopiestudies werden vervaardigd uit waterige suspensies van de DND's. Suspensies werden verkregen door het met zuur gezuiverde en aan de lucht gegloeide poeder te dispergeren in water met een concentratie van ≈ 1 mg / ml, gevolgd door verdunning in water met een factor 100. De DND-suspensies werden vervolgens verder spin-coated op een 170 μm -dik dekglassubstraat, dat vooraf werd gereinigd in een mengsel van ethanol en aceton in een ultrasoonbad. Ten slotte werden DND-aggregaten afgezet op dekglassubstraten gereinigd met een UV/O-Cleaner (lagedrukkwiklamp:optisch vermogen> 25 mW/cm 2 bij λ = 254 nm) gedurende ongeveer 30 min. Onder blootstelling aan UV-licht, de efficiënte oxidatie en gasfase-etsing van de lichtabsorberende sp 2 - koolstof rond de DND's met zuurstof en ozon optreedt. De buitenste nanoschaalclusters van sp 2 -koolstof zijn uiterst ongewenst voor het bestuderen van de PL vanuit de intrinsieke kleurcentra in het diamantrooster van DND's. Blootstelling van het substraat aan UV-straling leidt ook tot het verwijderen van ongewenste organische verontreinigingen, die anders een lichtgevende achtergrond in een breed spectraal bereik kunnen veroorzaken.

Karakterisatiemethoden

Magnetische resonantiespectroscopie

De EPR-spectra van de monsters werden opgenomen bij kamertemperatuur, binnen de microgolf X-band met een frequentie van ~-9,4393 GHz of ~-9,0785 GHz, met behulp van een EPR-spectrometer (JEOL JES-FA 300 (Japan)). De specifieke vaste frequentie die werd gebruikt, was afhankelijk van de aan- of afwezigheid van een adiabatische kwarts-cryostaat in de microgolfholte gedurende de hele onderzoekscyclus. Tientallen milligrammen DND-poeder werden ingebracht in een lange X-band JEOL EPR-buis (JEOL-onderdelencatalogus, item 4220 00281, nr. 193) met een buitendiameter van 5 mm en een kwartsbodem van 100 mm lang. De open bovenkant van de buis was afgedicht tegen vocht. Foto's van het DND-poeder in de JEOL EPR-buis en in het midden van de microgolfholte worden getoond in Fig. 1 a en b. Het poeder, van grijze kleur, is duidelijk te zien in beide panelen. Een dergelijke hoeveelheid DND-poeder is zowel geschikt voor het effectief afstemmen van de EPR-spectrometer met hoge Q-factor als voor het verkrijgen van een goede signaal-ruisverhouding tijdens het opnemen van de spectra van zwakke signalen in het halfmagnetische veldgebied.

Foto's van DND-poeder in a de JEOL EPR-buis en b in het midden van de X-band microgolfholte. Voor vergelijkingsdoeleinden is de afbeelding van het poeder in de EPR-buis speciaal gemaakt tegen het hoofdgedeelte van een plastic spuit met een volume van 10 ml

De EPR-spectra van de DND, met g -factoren van de signalen in het bereik van 4,00-4,30, werden opgenomen met microgolfvermogen, P MW = 6 mW; amplitude van magnetische veldmodulatie, A m = 0,5 mT; frequentie, ν = 100 kHz; winst, G = 1200; en signaalaccumulatie, N =20. De tijdconstante was 0,030 s. De opnametijd voor één magnetische veldzwaai was 120 s.

De minimale en maximale magnetische veldwaarden voor de sweep zijn speciaal geselecteerd met de JEOL-JES-programmasoftware en nauwkeurig gedefinieerd met een JEOL NMR-veldmeter ES-FC5 (Echo Electronics). De concentratie van NV centra werd geschat door dubbele integratie van het corresponderende EPR-signaal met g =4.27, gevolgd door toewijzing aan het corresponderende monstergewicht en vergelijking met het EPR-signaal van een referentiemonster. We hebben speciaal gekozen voor een synthetisch fluorescerend Ib HPHT-diamantpoeder Voetnoot 3 (gemiddelde grootte ~ 100 nm) met een goed gedefinieerde geïntegreerde intensiteit van de g = 4.27 EPR-lijn en bekende concentratie van S = 1 NV centra van 5,3 ± 0,4 ppm als een onafhankelijke, betrouwbare referentie om een ​​correcte bepaling van de verkregen concentratie van NV mogelijk te maken in de ND. Dit is vergelijkbaar met de eerder door Shames et al voorgestelde benadering. [24]. De g = 4.27 EPR-lijn werd geregistreerd voor dit referentiemonster met de volgende parameters:P MW = 3 μW, A m = 0,2 mT, G = 500, en N = 12 in een lineaire modus waarbij de piek-tot-piek-intensiteit van de EPR-lijn evenredig is met de vierkantswortel van het microgolfvermogen in de monsterruimte. Voor submicron- en micron-sized Ib HPHT-kristallen wordt dit regime meestal goed gehandhaafd bij lage microgolfvermogens (minder dan 7-10  μW). Het spectrum is speciaal vastgelegd in het brede magnetische veld van 119 tot 321 mT. Dit bereik werd gebruikt om extra EPR-signalen van Δm . te registreren s = 1 overgangen, die zijn toegestaan ​​met low-field, en vertegenwoordigen unieke handtekeningen van de NV centra.

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie

Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) van DND's werd uitgevoerd met behulp van een Perkin-Elmer PHI 5600 Multi-Technique-systeem, uitgerust met een bron van monochromatische Al Ka-straling. De spectrale kenmerken van foto-elektronen werden verkregen na analyse van de foto-elektronenflux uitgezonden door een monstergebied van ~ 1 mm 2 [25]. De gedetecteerde foto-elektronen worden uitgezonden vanaf het oppervlak van het materiaal - een paar dikke gebieden met een atomaire laag (< 2 nm). Bijzondere aandacht werd besteed aan analyses van de gebieden met foto-emissiepieken van koolstof C1s, stikstof N1s en zuurstof O1s. Ontleding van de foto-emissiepieken in individuele componenten werd uitgevoerd door een geschikte set singletcontouren. Spectra van het DND-monster werden genomen na etsen van het oppervlak met argonionen. Ionenetsen werd gedurende 3 min uitgevoerd bij een versnellingsspanning van 3 kV en met een ionenbundelstroom van ongeveer 4 A. De Ar-ion-etsing werd gebruikt om geadsorbeerde omgevingsgassen en andere chemisch gesorbeerde atomaire complexen van het monsteroppervlak te verwijderen. XPS werd ook gebruikt voor het evalueren van het inwendige stikstofgehalte in een reeks verschillende DND-monsters met verschillende röntgen-CSR-afmetingen.

Fluorescentiespectroscopie

Voor PL-onderzoeken werden monsters bereid door het poeder vlak in een ondiep gat met een diameter van 2   mm te persen in een koperen plaat van 4 mm, gevolgd door het oppervlak te egaliseren met een glasplaat. PL-spectra werden opgenomen in het bereik van 540-1000 nm door middel van een aangepaste micro-Raman-opstelling met een 532 nm laserexcitatie met een vermogen van ~ -0,5 mW en diffractierooster met 600 groeven per millimeter. De belichtingstijd was 180 s. De excitatiestraling werd op het vlakke monsteroppervlak gefocusseerd door een Nikon Plan Apo 100×, NA = 1,40 microscoopobjectief in een vlek met een diameter van 2 m. De spectrale resolutie was beter dan 0,05 nm.

Confocale fluorescentiemicroscopie

Om de PL-spectra te registreren en het PL-signaal van DND-deeltjes die op dekglas zijn spin-coated in kaart te brengen, hebben we een verdere PL-opstelling gebruikt. Het bestaat uit een aangepaste omgekeerde confocale scanningmicroscoop gecombineerd met een beeldvormende spectrograaf. De confocale microscoop omvat een piëzo-elektrische scantafel (NanoPDQ75, Mad City Labs Inc., VS), een microscoopobjectief (Plan Apo 100×, NA = 1.40, Nikon, Japan) en een optisch gepompte halfgeleiderlaser (Verdi, Coherent Inc., VS) met een golflengte van 532 nm die wordt geïnjecteerd (circulaire polarisatie, 0,5 mW vermogen) in het objectief via een dichroïsche bundelsplitser (z532rdc, Semrock, VS). Het detectiepad bestaat uit een gaatje met een diameter van 50 μm voor confocale afstoting, een banddoorlaatfilter (FF01-697/75, Semrock) en een detector met een enkele fotontelmodule (SPCM-AQR-14, Perkin-Elmer, Canada) . De beeldvormende spectrograaf bestaat uit een concaaf rooster dat het spectrum afbeeldt op een van achteren verlichte CCD-arraydetector (DU440-BU2, Andor Technologies, VK), wat leidt tot een spectrale resolutie van ongeveer 1 nm.

Het in kaart brengen van het luminescentiesignaal werd uitgevoerd over een 20 × 20 μm 2 vierkant. De verplaatsing van de elementaire trap in laterale richtingen was 100 nm met een nauwkeurigheid van ~ 1 nm. Om PL-spectra te verkrijgen in het bereik van 500-900 nm en tijdsafhankelijkheid van de PL-intensiteit bij het maximum van het juiste spectrum, werden twee van verschillende DND-aggregaten die op het substraat werden gevonden met laterale afmetingen van niet meer dan 0,6 micron en met intense luminescentie geselecteerd . De belichtingstijd was 60 s voor elk PL-spectrum en 3 ms per pixel in elke geregistreerde 2D PL-kaart. De diffractie-beperkte spotgrootte (puntspreidingsfunctie, PSF) beslaat ongeveer 2-3 pixels (250 nm). Het magnetische veld werd aangelegd met behulp van een permanente magneet die binnen ongeveer 1 mm van het dekglaasjesubstraat werd gebracht. De magnetische veldsterkte op de monsterlocatie was ongeveer ~  90-100 mT. De tijdsafhankelijkheid van het PL-signaal werd geregistreerd met herhaalde snelle nadering en verwijdering van de magneet van en naar het oppervlak met het monster.

Resultaten en discussie

Nv tellen Centra in NST door Half-Field EPR-methode

Aangezien de straling die wordt uitgezonden door kleurcentra kan worden geabsorbeerd door sp 2 -bevattende soorten die aanwezig zijn in de DND-aggregaten en die zelfs kunnen worden geblokkeerd door bepaalde morfologische kenmerken in de ruimte tussen de deeltjes, is het erg belangrijk om NV te controleren en te controleren centra in diamanten door niet-optische methoden. De NV centra kunnen worden gedetecteerd door EPR-spectroscopie, zelfs wanneer hun dragers worden ingebed in het niet-transparante, dichte medium dat zowel de opwindende als de luminescente optische straling blokkeert of in het geval van de afwezigheid van NV secundaire straling gerelateerd aan specifieke uitdovingsmechanismen. Hun totale concentratie kan vervolgens eenvoudig worden beoordeeld door analyse van het EPR-spectrum [16, 26, 27]. Tegelijkertijd wordt de vastgestelde concentratie NV centra biedt waardevolle informatie over de potentiële (na uitgebreide zuivering) helderheid van de NV PL. Het EPR-spectrum van het DND-poeder gezuiverd uit 3D-transitiemetaal magnetische onzuiverheden (meestal Fe, Ni) in het gebied van het zogenaamde halfmagnetische veld wordt getoond in Fig. 2 (zwarte curve). Het spectrum bestaat uit twee nauwe lijnen (1 en 2) met g -factoren g 1 = 4.27 en g 2 = 4.00, en breedtes ΔH pp1 ≈ 2,0 mT en ΔH pp2 ≈ 1.4 mT. De eerste, laagveldlijn, komt overeen met de verboden overgangen Δm s = 2 tussen de Zeeman energieniveaus van de triplet toestand van de NV centrum in een magnetisch veld. De tweede, hoogveldlijn, komt overeen met dezelfde verboden overgangen Δm s = 2, die optreden wanneer microgolfstraling wordt geabsorbeerd door andere centra, d.w.z. multivacatures met S =1. In ref. [16], deze lijnen werden eerst toegewezen aan verschillende triplet-centra die naast elkaar bestonden in de DND's, en in het bijzonder de g 1 = 4.27 lijn is toegewezen aan een NV centrum. De positie van de g 1 = 4.27 regel kwam overeen met die van de verboden overgangen Δm s = 2 zoals weergegeven in het energiediagram van de grondtoestand van de singlet-triplet NV centrum in magnetische velden tot 300 mT (Fig. 3). Een grote nulveldsplitsingsparameter van het spin-Hamiltoniaanse (D = 850 × 10 −4 cm −1 ), veroorzaakt door de sterke uitwisselingsinteractie van de samenstellende spins in het triplet NV centrum, veroorzaakt de hoge gevoeligheid van de positie van de g 1 = 4.27 lijn (verschuivend met 0,5% op de g -schaal) tot de specifieke microgolffrequentie in het bereik van 9,0 tot 9,9 GHz (X-band) [26]. De integrale intensiteit van de lijn g 1 = 4.27 kan worden gebruikt om de concentratie van NV . nauwkeurig te schatten centra zelfs wanneer de luminescentie van de nanodiamanten niet detecteerbaar is vanwege absorptie of uitdoving vanwege naburige optisch actieve soorten, of zelfs maskering door sterke parasitaire achtergrondluminescentie van de derde naast elkaar bestaande soort. Een met elektronen bestraalde, synthetische submicron-diamant met hoge energie (gemiddelde grootte 100 nm) met een bekende concentratie NV centra werd gebruikt als referentiemonster (monster Ib HPHT FND). Het EPR-spectrum van monster Ib HPHT FND genomen bij laag microgolfvermogen P MW = 3 μW wordt ter vergelijking getoond in Fig. 2 (rode curve). In het bereik onder 320 mT bestaat het uit drie goed gedefinieerde EPR-signalen die overeenkomen met een "verboden" Δm s = 2 (bij 157,85 mT), en twee toegestane z , m s = 1 en x ,j , m s = 1 (bij 234,39 mT en 281,27 mT) overgangen tussen de Zeeman-energieniveaus van de grondtriplettoestanden van NV in magnetisch veld. De Δm s = 2 en z , m s = 1-overgangen worden ook getoond op het schema in Fig. 3. Het is nogal verrassend dat in vergelijking met het submicron-referentiemonster met NV centra tonen de DND-deeltjes alleen de g = 4.27 EPR-regel gerelateerd aan Δm s = 2 “verboden” overgangen. Met name de toegestane z , m s = 1 en x ,j , m s = 1 microgolfovergangen worden niet waargenomen. Een mogelijke verklaring is de abnormale verbreding van de EPR-lijnen gerelateerd aan Δm s = 1 overgangen vanwege de grote variatie in de belangrijkste parameters van het spin-Hamiltoniaanse (D en E ) voor de S = 1 NV over het ensemble van DND-deeltjes. Dus de volledige afwezigheid van regels gerelateerd aan de toegestane z , m s = 1 en x,y, Δm s = 1 overgangen is een belangrijke onconventionele eigenschap van NV in DND's. Volgens de commerciële leverancier is de verwachte concentratie van NV in de referentie Ib HPHT FND geëvalueerd op basis van de geabsorbeerde bestralingsdosis was ~ 5.3 ppm. De integrale intensiteit van de g 1 = 4,27 lijn in het EPR-spectrum van de NS bleek ~ 4,8 keer kleiner te zijn dan die in het Ib HPHT FND EPR-spectrum, en daarom is de concentratie van NV centra in de DND's wordt bepaald op 1,1 ± 0,3 ppm. De corresponderende procedures voor de integratie van zowel de EPR-signalen in het halfmagnetische veldbereik (130-180 mT) als de achtergrondcorrectie worden speciaal getoond in Fig. 4. Figuur 4a bevat het originele, gemeten EPR-spectrum van de eerste afgeleide van de microgolfabsorptie, voorafgaand aan de wiskundige behandeling (curve 1); hetzelfde EPR-spectrum na de integratie (bovenste curve 2); en hetzelfde oorspronkelijke EPR-spectrum zoals gemeten, maar na aftrek van de brede Lorentz-type lijn die verband houdt met resterende ijzerbevattende complexen (onderste curve 3). Figuur 4b toont de EPR-spectra van zowel het referentiemonster (bovenste curve) als DND (onderste curve) na integratie van de voor de achtergrond gecorrigeerde, gemeten EPR-spectra. Het echte geïntegreerde spectrum voor de DND zelf (Fig. 4b, onderste curve) verschilt behoorlijk van het tweede spectrum in Fig. 4a, waar alleen het ongecorrigeerde, zoals gemeten EPR-spectrum van DND was geïntegreerd. Het verkregen spectrum (Fig. 4b, onderste curve) toont een zeer diepe vallei tussen de aangrenzende EPR-signalen (g 1 = 4.00 en g 2 = 4.27) van het Lorentz-type gescheiden door een afstand van ~  10 mT. De gearceerde gebieden onder de EPR-spectra getoond in paneel (b) van Fig. 4 geven de integrale intensiteiten van de lijn g 1 = 4.27 voor beide vergeleken steekproeven. De verhouding van deze gebieden wanneer genormaliseerd door monstergewichten is ongeveer ~-4,8. Interessant is dat voor de DND de vorm van de lijn g 1 = 4.27 is symmetrisch en breed. Deze lijn is gedeeltelijk gesuperponeerd met het hoge veld g 2 = 4.00 EPR lijn veroorzaakt door meerdere vacatures. Enige resterende niet-gecorrigeerde achtergrond in de vorm van een sterke basislijn (voornamelijk van niet-verwijderbare ijzergerelateerde complexen) is duidelijk te zien in figuur 4a (spectrum 2). Een correcte ontleding van het EPR-spectrum van DND voor ten minste drie overlappende componenten in het bereik van 130-180 mT is dus een primaire behoefte voor een correcte evaluatie van de geïntegreerde intensiteit van de g = 4.27 lijn en concentratie van NV . We ontdekten ook dat verschillende behandelingen bij temperaturen onder 500 °C (in vacuüm en in lucht) geen praktisch effect hebben op de concentratie van NV centra in de DND's. De dubbel geïntegreerde intensiteit van signaal g 1 = 4.27 (schaduwgebied onder de Lorentz-contour gecentreerd op ~ 151 mT voor ν = 9,0785 GHz) blijft na de behandeling grotendeels hetzelfde als voorheen. Dit geeft aan dat de NV centra zijn voldoende diep in het rooster begraven, op een diepte vanaf het nanodeeltjesoppervlak van ten minste de roosterconstante (~  0,36 nm), zodat ze niet kunnen reageren met externe chemische middelen die niet etsen of doordringen in de diamantfase.

EPR-spectra van met zuur gezuiverde DND's in het gebied van een half magnetisch veld (zwarte curve) en van referentie-elektronen-bestraalde fluorescerende Ib HPHT-diamant nanodeeltjes met een gemiddelde grootte van ~ 100 nm (rode curve) in het bereik tot 320 mT. Beide lijnen van het DND EPR-spectrum zijn gemarkeerd met de nummers 1 en 2. De laagveldlijn 1 met g = 4.272 komt overeen met NV centra. Regels gerelateerd aan laagveld (LF) toegestaan ​​z Δm s = 1 en x ,j Δm s = 1-overgangen in FND 100 nm worden gemarkeerd door pijlen voor het bovenste spectrum. De zwakste, nauwelijks te onderscheiden regel die verband houdt met toegestane z Δm s = 1 overgang wordt bovendien gemarkeerd door een cirkel. De microgolffrequentie was 9,4393 GHz

Energy diagram of ground singlet-triplet levels 3 A2 of NV in magnetic field up to 300 mT. “Forbidden” Δm s  = 2 and LF allowed Δm s  = 1 transitions caused by absorption of microwave radiation (ν  ≈ 9.44 GHz) are marked by vertical red arrows. The position of the ground state spin level anti-crossing (|0 〉GS and |−1〉GS ) is marked by a circle

een Background subtraction in EPR signal of DND and b estimations of the double-integrated intensities of the g = 4.27 line for a DND sample and reference fluorescent Ib HPHT synthetic diamond. Paneel a :as-registered first derivative EPR signal of the DND in the ± 15 mT half magnetic field range (curve 1, blue); the same, but integrated EPR signal in the same ± 15 mT range of magnetic field (curve 2); the same first derivative EPR signal of DND, but after subtraction of the broad parasitic EPR signal from remaining non-removable iron-containing paramagnetic complexes shown by red contour of Lorentzian shape in the upper curve (curve 3, blue). Paneel b :Estimation of the double integrated intensity of the g  = 4.27 line for a fluorescent Ib HPHT diamond having NV (upper curve, shaded area) and the DND sample (bottom curve, shadow area). The bottom spectrum in panel b consists of two contours of Lorentzian shape, one of which centred at lower magnetic field (≈ 150.932 mT), is assigned to the NV centres of DND (the area below this contour in red is highlighted). Microwave frequency:ν = 9.0785 GHz

The main high-intensity EPR signal of the DND lies above 320 mT at ν  = 9.4393 GHz and has a g -factor g  ≈ 2.0027. It has a Lorentzian curve profile of linewidth ΔH pp  = 0.84 mT [13]. This linewidth is greater than that of fluorescent nanodiamonds (FNDs, 100 nm) milled from microcrystalline diamond synthesized by a high-pressure and high-temperature method. The broad signal can be explained by greater exchange and dipole-dipole interactions between the S  = 1/2 spins in the spin ensemble within an individual DND nanoparticle than those within a FND. The intensity of the main EPR signal collected from all S  = 1/2 paramagnetic centres, both of nitrogen (P1 centres [28]) and non-nitrogen origin, indicates a spin concentration of ~ 1300 ppm, corresponding Footnote 4 to around 15 S  = 1/2 spins in each DND [13]. However, it can be concluded from the earlier obtained data that approximately 40–50% of the total number of all paramagnetic centres in the DNDs are due to half-populated antibonding orbitals of isolated P1 centres. Thus, the huge total of spin-half, point-like agents located in DNDs (N PC ) can be represented as the sum of at least two contributions, from P1 centres and from elemental point defects having dangling bond spins ½, for example based on vacancies like H1 centres (VH o ):\( \left({N}_{\mathrm{PC}}=\left[{\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{o}}\right]+\left[\mathrm{et}\ \mathrm{al}\ \right]\ \right) \). Here we assume that specific EPR signatures from the hyperfine structures of P1 and H1 centres are absent or greatly “smeared” through the dense arrangement of localized spins within each particle. This sum gives us a clue about the approximate content of both isolated nitrogen and monovacancies inside the DND, although isolated nitrogen and monovacancies can also be present in the diamond lattice in nonparamagnetic forms such as \( {\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{-},{\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{+} \), V o . The presence of H1 centres together with neutral monovacancies in DND at some minor level (< 700 ppm) is reasonable in principle because rapid assembling of diamond lattice during the detonation takes place from hydrogen-containing products of TNT-hexogen pyrolysis such as CH3 * or CH2 * radicals. Although the mutual charge transfers between the main groups of centres present in the lattice in various charge and spin states (\( {\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{o}},{\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{-},{\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{+};{\mathrm{V}}^{-},{\mathrm{V}}^{\mathrm{o}} \)) are possible in principle, the foremost contribution to paramagnetism comes from only \( {\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{o}} \). Let us therefore estimate the maximal possible concentration of NV in a DND on the basis of assumptions about the known total amounts of substitutional nitrogen and monovacancies inside the particles. The actual charge state of NV is not essential for such an estimation. A statistical approach gives the following simple formula for the probability (p NV ) of finding at least one NV in one 5-nm DND particle consisting of N nodes of covalent diamond lattice:\( {p}_{\mathrm{NV}}=\frac{2 nv}{N} \) , where n en v are the mean numbers of isolated nitrogen atoms and monovacancies inside the DND particle, respectively. Because N PC  ≈ 1300 ppm, we can approximately assume that n  + v  ~ 15 for N  = 11,500. The maximal value of p NV is achieved when \( n\approx v\approx \frac{15}{2} \). This gives p NV  ≈ 0.0098. This value corresponds to around ~ 1 ppm of NV in DND, as was obtained previously from comparison of the g  = 4.27 EPR signals of the DND and the reference sample. Excluding the surface nodes linked with surface functional groups and interior nodes occupied by A-centres (up to 2 at.%) from the formal integration procedure, using N  = 9950–10,000 gives a slightly greater concentration of NV, up to 1.1 ppm. The estimated experimental concentration of NV centres in the DNDs is in close agreement with the theoretical estimation made above, and about 1000 times smaller than the concentration of all S  = 1/2 paramagnetic species in the system.

The concentration ratio for interior S  = 1/2\( {\mathrm{N}}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{o}} \) and S  = 1 NV centres is therefore qualitatively consistent with the main idea of rapid NV centre formation, that is, from the “random inclusion” of both substitutional nitrogen atoms and vacancies to the growing diamond nano-crystallites during the overall ~ 13–20 μs duration of the detonation wave propagation. Here, we intuitively assume that each NV is formed as a result of the random embedding and occurrence of impurity nitrogen atoms and vacancies in the nearest neighbour lattice sites during the period of time prior to the subsequent rapid cooling of the products to temperatures of the order of ~ 500–650 °C at which the diffusion of vacancies in the lattice is practically stopped.

Nitrogen Impurity Concentrations

XPS is a powerful tool for studying the DNDs’ composition and the chemical state of the main alien elements present on the surface of the DNDs (and also within 2 nm under the surface) [29]. Our main interest was focused on the XPS signal from nitrogen and the evaluation of the interior nitrogen content, since nitrogen is the predominant inner impurity. The XPS signals of carbon (C1s), nitrogen (N1s) and other elements have been recorded after etching of the surface with Ar ions. An overview of the XPS spectrum plotted in the wide range of binding energies from 250 to 600 eV is shown in Fig. 5a. Although the data indicates the presence of a large amount of oxygen-containing atomic groups at the DND’s surface (5.5 at.%), the analysis of the O1s signal is not of particular relevance to this work. The concentration of both inner and exterior nitrogen was preliminarily evaluated to be between 1.7 and 2.4 at.% [30]. The concentration of all the residual elements found (a small number of metals) did not exceed ~ 0.32 at.% in the as-received DND, and it could be reduced by 20–30 times by etching the DND powder in boiling aqua regia and hydrochloric acid [30]. The photoemission peak of nitrogen (N1s) is shown in Fig. 5b. Etching with Ar ions results in the removal of weakly bound adsorbed species from the surface, while the covalent diamond lattice remains unaffected. The characteristic high-energy peaks (~ 404.6 eV and 407.3 eV) in the N1s photoemission signal have very low intensities when compared with an untreated pristine sample. These peaks demonstrate the presence of any remaining nitrate ions (peak at ~ 407.3 eV) and nitrite groups (peak at ~ 404.6 eV) on the Ar ion-treated surface. Further complete removal of nitrate ions and nitrite groups from the surface can be achieved only by annealing the DND powder in air at temperature> 350  o C. The main peak of the N1s signal at ~ 401 eV, which is not influenced by Ar ion treatment, corresponds to chemical bonds of the type N–sp 3 –C. This peak is a characteristic of interior elemental nitrogen covalently bound within the diamond lattice. It appears due to various forms of nitrogen present in the diamond matrix, including NN dimers, next nearest neighbouring N + ...N pairs, and more complex nitrogen clusters. Similar data were obtained for the photoemission peak of carbon C1s (sharp, intense signal seen in Fig. 5a, see also Ref. [30] for details). The C1s XPS signal consists of two main peaks:one centred at 284.9 eV corresponding to C–C bonds in the diamond matrix and another peak centred at 287.3 eV corresponding to C–N bonds. Only diamond carbon and sp 3 /sp 2 carbon bound to nitrogen, even in the form of atomic-scale disordered nitride phase species (where neighbouring carbon and nitrogen atoms can have up to three C–N bonds), are represented in the C1s signal of the Ar ion-treated surface. Our careful analysis of the integrated intensity of only the N1s 400.9 eV peak and C1s signals (together with O1s and residual elements’ signals) suggests that nitrogen is contained within the diamond lattice of selected DND sample in the amount of 1.65 ± 0.05 at.% and mainly in the form of complex clusters which are not paramagnetic. This value was obtained after special correction by a reducing factor taking into account that the actual size of DND particles is larger than the whole depth of crystal lattice from which the excited photoelectrons are readily emitted. It seems that only a small part of nitrogen is present in the diamond lattice in the form of isolated paramagnetic nitrogen atoms with spin S  = 1/2 (no more than 8–9% of all nitrogen). The isolated paramagnetic nitrogen atoms are only accessible for observation by EPR as was shown in the previous section.

XPS spectra of acid-purified DNDs after Ar ion etching:a overview of the spectrum in the range 250-600 eV and b N1s photoemission peaks

XPS spectroscopy was also applied to estimate the nitrogen content in other DND samples provided by our suppliers. We found that the nitrogen content varies in these samples from ~ 1.6 at.% (minimal value) to ~ 2.1 at.% (maximal value). We simultaneously noticed that higher concentrations of nitrogen correspond to the samples with a smaller X-ray CSR size. Such values of nitrogen content were also roughly confirmed by elemental analysis with a Micro Corder JMC10 device in the course of sample combustion in oxygen flow (30 ml/min) at 1000  o C. As a reference source of nitrogen, carbon and hydrogen for this method, we used the antipyrine C11 H12 N2 O, having nitrogen in its structure in the form of N–N groups.

DND Fluorescence Intensity and Its Dependence upon the Nitrogen Content

The PL spectrum of one selected powder DND sample is shown in Fig. 6a. It has the maximum intensity at 680 nm. Following [31], a characteristic spectrum with peak position above 650 nm indicates the presence of both NV and NV 0 defects, although the contribution from some light-emitting defective sites of remaining sp 2 -coordinated carbon species around DND particles cannot be excluded completely. However, the characteristic zero-phonon lines (ZPL) at 638 nm (NV ) and 575 nm (NV 0 ), respectively, are not detected. This probably occurs due to the changing positions of the NV 0 and NV excited/ground states inside the bandgap for centres lying in the vicinity of the particle edge and the subsequent broadening of the 638-nm and 575-nm ZPL spectral components for the ensembles of such NV 0 and NV centres with slightly different electronic parameters. Let us mark that the absence of featured NV ZPL peak at 638 nm was confirmed in many studies related with photoluminescence of DND aggregates lying free on the substrate or embedded inside polymers [31]. Sometimes it (suppressed or very poorly recognized ZPL feature at 638 nm) even happens for larger isolated fluorescent Ib HPHT nanodiamonds of a size about 40 nm [4].

een Photoluminescence spectrum of DND powder pressed flush in a shallow hole with a diameter of 2 mm made in a copper plate and b the interior nitrogen content measured by XPS and c the intensity of NV PL at 680 nm as a function of X-ray CSR size for a series of selected DNDs synthesized in the presence of some intentionally added inorganic additives in the detonation zone (charge and water shell) as provided by the manufacturer. Excitation laser wavelength λ  = 532 nm, power ~ 0.5 mW. The diameter of the focused laser spot on the sample surface was 2 μm. Conditions of recording were temperature T  = 293 K, and an air environment

We also studied the PL intensity for a series of DND samples with different CSR sizes. The CSR size characterizes the average size of perfect diamond domains or the mean size of diamond nano-crystallites in the powder even if they are randomly arranged in large-scale polycrystalline aggregates with size exceeding 30–50 nm. The CSR size varied from 4.3 to 5.6 nm in the series of DND samples selected for our studies (similar to the results explained in Ref. [32] although we used another more traditional approach for analysing X-ray diffractograms). Figure 6b shows the dependence of interior nitrogen content evaluated by means of the XPS method versus the CSR size of the DNDs. The larger the CSR size, the smaller the nitrogen content. This seems reasonable as powders with larger DND particles were synthesized as a result of the addition of some inorganic substances having the elements playing the role of nitrogen-getter inside the detonation zone (charge or charge enclosure). Such elementary additives probably promote the reduction of the overall nitrogen content in the growing diamond lattice during the explosion process or change the conditions of the diamond lattice assembly to slightly prolong the synthesis (on the order of microseconds). In addition to the overall nitrogen content, we also recorded the reduced amount of nitrogen-related paramagnetic centres in these DNDs, as confirmed by EPR spectroscopy. PL spectra of all DNDs having different CSR sizes are practically the same in shape in the range 550–900 nm, but this is not the case for the absolute intensities of the PL at the maxima of the PL spectra at 650–680 nm. The intensity at the maximum of PL spectrum is plotted in Fig. 6c as a function of the X-ray CSR size of the DNDs. Comparing both panels (Fig. 6b, c) it is clearly seen that the smaller the nitrogen content in DND, the higher the NV PL intensity. Again, this seems reasonable as nitrogen-related centres and especially A-centres can act as effective quenchers of PL if the NV light-emitting centres in some DND particles (one per a hundred of 5 nm DND particles at least) are surrounded by a “gas” of A-centres and other lattice imperfections, similar to the approach proposed in Ref. [33]. This trend gives us a hint at possible ways to enhance the intensity of luminescence from ensembles of DND particles by manipulating their size and nitrogen concentration. Among them, there is the technological enlargement of the mean size of DND particles in the course of their treatment at high pressure and high temperature at appropriate conditions, promoting their recrystallization and further crystal growth [34]. The probable reduction of NV content through treatment leading to the reduction of A-centres and other interior defects in the diamond lattice may be compensated in principle by the opposite trend, promoting the brightness of NV emission, and reducing the amount of all types of PL quenchers in the system, and hence, substantially improving the crystal quality of particles with sizes exceeding a dozen nanometres [34, 35]. Further works on these topics are now in progress.

DND Aggregate-Specific Fluorescence and Discrimination of Diffraction-Limited Emitters

Characterizing the fluorescence from isolated DND particles or submicron aggregates is crucial both for understanding their potential use as fluorescent markers and to help to mitigate disadvantages related with a relatively low concentration of NV in them as determined by EPR. Photoluminescence was recorded for DND aggregates spin-coated on a glass microscope coverslip from an aqueous suspension with an average size of DND aggregates about 30 nm (as measured by dynamic light scattering).

Figure 7a shows two PL 2D maps obtained by confocal microscopy, using a 532-nm wavelength excitation laser with 100-μW output optical power. Bright spots corresponding to DND aggregates up to 500–700 nm in lateral size are observed. Dimmer spots of size around the optical diffraction limit are also observed after selection of the appropriate isolated spots. Figure 7c shows the intensity distribution along the specially selected straight line aa plotted in Fig. 7a. This line crosses about six dim spots of smallest diameter—five spots (1–5) are crossed by the straight line fairly precisely along their centres and one spot (6) is with a small displacement from this line. The corresponding five peaks in intensity distribution are clearly seen in Fig. 7c. Thus, each dim spot 1–5 laying on the line aa corresponds to the DND aggregate of smallest lateral size (in the range below 70 nm). It is possible that all of them are fixed on one V-shaped straight groove existing on the glass coverslip. We successfully fitted each peak in the intensity distribution with a 2D Gaussian \( {A}_i{e}^{-\left[{\left(x-{x}_{oi}\right)}^2+{\left(y-{y}_{oi}\right)}^2\right]/2{s}_i^2} \), where x oi , j oi are the Cartesian coordinates of the centres of the dim round spots, A ik -maximum PL intensity of each isolated spot, s ik is a parameter close to s o  ≈ r o /3, where s o is a 1/3 part of the Airy disk diameter r o . In our case, for λ  = 532 nm radiation (in vacuum) and numerical aperture of microscopic objective NA = 1.40, we have the following values for r o and s o :r o =1.22λ/2NA ≈ 232 nm and s o    77 nm. The s o value in the 2D Gaussian determines the point spread function (PSF) of and ideal point-like emitter, i.e. the diffraction limitation related with the smallest possible interference ring. For the five peaks mentioned above (i  = 1–5) we found the following s ik values, respectively:85, 77, 77, 84 and 77 nm. Peak 5 has both the highest intensity and s -value equal to the theoretical value s o    77 nm. This means that the lateral size of the corresponding emitter for peak 5 is significantly smaller than the PSF size. The same is also true for peaks 1–4. We can conclude that the lateral sizes of DND aggregates laying along line aa are in the range below 70 nm. Each spherically shaped DND aggregate of ~ 30 nm in size Footnote 5 consisting of individual 5-nm particles (percentage of voids is 50%) has about 1.3 NV centres in accordance with the 1.1 ppm content of NV determined previously. This value is great enough in principle to distinguish aggregates of this size by optical methods. Each of the five aggregates lying along the line aa probably has between 2 and 10 colour centres. The larger the height of the DND aggregate lying on the substrate, the higher the density of luminescence centres (per unit square) for the light emitted more or less perpendicular to the surface. For aggregates with height up to 300–350 nm, the brightness of PL intensity can be at least one order of magnitude greater than that for aggregates of smaller 25–30 nm size. The PL spectrum of one selected aggregate of high brightness (marked by a circle in the 2D map presented in Fig. 7a) was studied in detail. It has roughly the same shape (especially on the right wing above 680 nm) as that for the spectrum shown in Fig. 6a and indicates the presence of both NV and NV 0 gebreken. However, the characteristic zero-phonon lines (ZPL) at 638 nm (NV ) and 575 nm (NV 0 ), respectively, were again not detected. ZPLs are usually well resolved only for diamond crystals of micron size or larger, while for nanometre-scale crystals, they are typically not well-observed due to some experimental or other physical reasons Footnote 6 . Let us mark that for DND aggregates lying on the cover glass, the final treatment with UV/O-Cleaner removed the sp 2 -coordinated carbon species around the particles inside the aggregates and as a result the PL spectrum is free from the contribution of light-emitting centres of disorganized sp 2 -carbon phase.

een 2D-colour mapping of the PL signal intensity of DND spin-coated on a glass microscope coverslip together with b schematics of the experimental setup. c The PL intensity profile along the “aa” cross-section. d The photoluminescence intensity versus time for the selected DND aggregate marked with a circle in the upper side of the 2D map shown in panel a , in the presence or absence of an external magnetic field. Laser excitation at 532 nm wavelength. Square, 201 × 201 pixels. Integration time is 3 ms/pixel. Step—100 nm. The excitation radiation is focused on the upper surface of the glass coverslip with deposited DND. In zero field (B  = 0), only small changes of intensity, due to the blinking of some of the NV colour centres occur. When magnetic field is temporally applied a large decrease of the PL intensity occurs. Upper left panel a :the left scale for PL intensity corresponds to the 2D mapping of another DND aggregate shown in the left bottom corner of the large 2D map. Upper right panel b :schematics of the experimental setup explaining the displacement of the permanent magnet above the coverslip relative to the deposited DND

To confirm the presence of NV centres in the DND, we studied the influence of an external magnetic field on the PL intensity. No PL modification is expected from NV 0 , which have no magneto-optical properties unlike NV . Figure 7d shows the meander-like time variation of the PL intensity from an isolated DND aggregate in the presence of an external magnetic field switched “ON” by quickly bringing a compact permanent magnet close to the DND or by removing it (“OFF”). This occurs as a result of the mixing of the |0〉GS and |−1〉GS states of NV centres at the ground-state spin level anti-crossing (GSLAC), marked with a circle at magnetic field ~ 100 mT in Fig. 3. Such mixing leads to a change in the populations of these states, accompanied by a PL intensity decrease. The optical transitions between the ground 3 A2 and excited 2 E triplet states preserve the spin quantum number (Δm S  = 0). However, from the m S  = ± 1 excited state, the optical excitation of NV also decays with no radiation in the visible domain, through a system of two metastable singlet states before coming back to the ground state [5]. This process is accompanied by radiation at a longer wavelength of 1042 nm defined by the gap between these two singlet levels with S  = 0. This additional decay pathway results in a lower fluorescence intensity from the main radiation transition within the m S  = ± 1 subsystem of ground and excited triplet states. The experimentally detected decrease of NV centre PL intensity is quite reasonable in the presence of a weak (≤ 100 mT) magnetic field [36], as observed in Fig. 7d. Surprisingly, in our case (for DNDs), this drop is essentially larger than those reported in the literature for Ib HPHT fluorescent microdiamonds and even evaluated theoretically in the framework of the standard NV model [37].

Conclusion

In this article, we have shown that nitrogen-vacancy centres appeared in the interior of 5 nm nanodiamond particles synthesized by detonation of nitrogen-containing explosives are the main triplet colour centres. Precise counting of the number of NV centres was achieved. The DNDs contain ~ 1.1 ppm of such NV centres in the crystalline diamond lattice. This value is just five times smaller than that detected in the bright fluorescent reference Ib HPHT diamonds with a mean size of about ~ 100 nm. Our adjusted and rechecked estimation made on the basis of the EPR method is about three orders of magnitude larger than that evaluated in Ref. [38] by pure optical methods for DND aggregates. Probably not all NV centres detected by EPR are optically active due to the NV luminescence quenching by various point and collective defects located near the surface. Annealing DNDs in oxygen- or ozone-containing air removes defects associated with light-absorbing sp 2 carbon at the particle surface and allows detection of the specific PL of NV centres. When an external magnetic field is applied, an accompanying variation of the PL intensity is observed. This is the result of the sensitivity of the NV triplet ground state to magnetic field and comes through the mixing of the |0〉GS and |−1〉GS states of only the NV centres below/near the GSLAC point leading to the decay of the optical excitation with no radiation in the visible domain. The application of this effect to discriminate ultra-small DND emitters in an environment with a large autofluorescence background and micron-scale bio-object contouring is promising [39]. Some DND aggregates playing the role of point-like NV emitters and giving the smallest fluorescent spots with diameter close to the PSF size (diffraction limitation) were found.

Notes

  1. 1.

    The same data for concentration of paramagnetic centres S  = ½ (≥ 1260 ppm) were obtained independently by precision measurements of the magnetization field dependence at temperature T  = 2 K using a superconducting SQUID magnetometer. The magnetization curve does not show the presence of spins 3/2 in appreciable quantity in DNDs [13].

  2. 2.

    See for example the details of this method for analysis of the standard (DND) and non-standard (NDB-G) samples given in Ref. [22].

  3. 3.

    Fluorescent Ib HPHT (high pressure high temperature) microcrystals doped with nitrogen (100–150 ppm) and thereafter irradiated by high energy electrons (2–15 MeV) and annealed at 800–950 o C.

  4. 4.

    We assume that a typical DND particle (with size slightly exceeding 5 nm) consists of ~ 1.1 × 10 4 carbon atoms.

  5. 5.

    Here we consider the typical DND aggregate in water DND suspension used for deposition the aggregates on the glass coverslip. Certainly, the actual shape of aggregates lying on the cover slip can be rougher and extremely diverse depending upon the adhesion of DND particles to the glass and actual size of the large-scale aggregates.

  6. 6.

    The ZPL line at 638 nm was not resolved in many works where the nanodiamonds having NV were studied [4, 31]. It is probable that the various local environments of NV centres in nanosized diamond (like surface defects and interior imperfections) greatly disturb the position of NV triplet ground states in the bandgap.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

CCD:

Oplaadapparaat

DND:

Detonation nanodiamond

EPR:

Elektron paramagnetische resonantie

FND:

Fluorescent nanodiamond

GSLAC:

Ground state spin levels anti-crossing

HPHT:

High pressure high temperature

NA:

Numerical aperture

NV:

Nitrogen-vacancy

ODMR:

Optically detectable magnetic resonance

PL:

Fotoluminescentie

PSF:

Point spread function

SCTB:

Special design and technology bureau

SQUID:

Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat

UV:

Ultraviolet

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie

ZPL:

Zero-phonon line


Nanomaterialen

  1. Elektrische velden en capaciteit
  2. Elektromagnetisme
  3. Magnetische meeteenheden
  4. Magnetische velden en inductie
  5. Digitale (AAN/UIT) Hall Effect-apparaten:schakelaars en vergrendelingen
  6. Nanodiamanten voor magnetische sensoren
  7. Preparatie en magnetische eigenschappen van kobalt-gedoteerde FeMn2O4-spinel-nanodeeltjes
  8. Modulatie van elektronische en optische anisotropie-eigenschappen van ML-GaS door verticaal elektrisch veld
  9. (La0.97RE0.01Yb0.02)2O2S Nanofosforen omgezet uit gelaagd hydroxylsulfaat en onderzoek naar upconversie fotoluminescentie (RE=Ho, Er)
  10. De koppelingseffecten van oppervlakteplasmonpolaritons en magnetische dipoolresonanties in metamaterialen
  11. Wat is magnetische afscherming?